5 Regeln für die Installation und Montage piezoelektrischer Kraftaufnehmer

Piezoelektrische Kraftaufnehmer bieten für Anwendungen im industriellen Umfeld zahlreiche Vorzüge:

Piezoelektrische Aufnehmer sind außerordentlich kompakt
Piezoelektrische Messketten weisen bei entsprechender Auslegung eine sehr hohe Überlastfähigkeit und einen vernachlässigbaren Messweg auf
Dies führt zu einer hohen Steifheit und somit zu hervorragenden dynamischen Eigenschaften.

1. Ist eine Vorspannung erforderlich?

HBM hält zwei verschiedene Bauformen piezoelektrischer Kraftaufnehmer bereit:

Die Kraftmessringe CFW und die Kraftaufnehmer CFT.

Die Kraftaufnehmer CFT sind kalibriert und werden mit Kalibrierprotokoll ausgeliefert. Da diese Kraftaufnehmer bereits intern vorgespannt sind, sind sie zum sofortigen Einsatz geeignet. Ein erneutes Einmessen der Messkette ist nicht notwendig.

Die Kraftmessringe CFW bauen wesentlich flacher und sind nicht vorgespannt. Bei der Montage ist eine Vorspannung vorzusehen.

Diese Aufnehmer müssen in der Einbausituation kalibriert werden.

Die Vorspannung der Kraftmessringe ist notwendig, um die Linearität und die Betriebsfestigkeit des Aufnehmers zu gewährleisten.

Durch die Vorspannung ist ein weiteres mechanisches Element parallel zum Kraftaufnehmer montiert.

Wir empfehlen, den Messring auf mindestens 10% seiner Nennkraft vorzuspannen. Zur Bestimmung der Vorspannkraft kann der Messring selbst verwendet werden.

Ein Teil der Messkraft wird nun durch das Vorspannelement geleitet. Vorspannung und Kraftnebenschluss werden durch die Einbausituation bestimmt. Es ist deshalb erforderlich, die Kraftmessringe nach der Montage zu kalibrieren, also das Ausgangssignal des Aufnehmers mit einer bekannten Kraft zu vergleichen. Die Genauigkeit der Messergebnisse hängt hierbei wesentlich von der Genauigkeit der Kalibrierung ab.

2. Erhöhen Sie die Qualität Ihres Ausgangssignals

Die von einem piezoelektrischen Aufnehmer abgegebene Ladung wird mittels eines Ladungsverstärkers in eine direkt proportionale Spannung umgewandelt.

Piezoelektrische Aufnehmer sind hervorragend geeignet für dynamische, d.h. nicht nullpunktbezogene Messungen. Die von piezoelektrischen Messketten erzeugte Drift ist dabei so gering, dass sie auch bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit nicht ins Gewicht fällt.

Die Drift ist ein Effekt der Ladungsverstärker. Die Aufnehmer selber zeigen keine Drift, insofern die Montage und der Anschluss korrekt erfolgt sind. Die maximale Drift einer Messkette liegt bei 0,1 pC/s oder 25mN/s, wenn Quarz als Sensormaterial verwendet wird bzw.13 mN/s für das Sensormaterial Galliumphosphat. Um eine geringe Drift zu erreichen, sollten Sie folgende zwei Hinweise beachten:

1. Einlaufverhalten des Ladungsverstärker

Der Ladungsverstärker soll mindestens eine Stunde warm laufen, bevor mit den Messungen begonnen wird.

2. Sauberkeit der Anschlüsse

Ist der Isolationswiderstand des Kabels zwischen Aufnehmer und Ladungsverstärker zu niedrig, so driftet die Messkette, da Ladung über den zu geringen Isolationswiderstand abfließen kann. Um die Drift einer piezoelektrischen Messkette klein zu halten, sollten alle Stecker und Buchsen stets sauber sein.

Bitte achten Sie darauf, die offenen Kontaktflächen nicht mit der Hand zu berühren, da dies den geforderten Isolationswiderstand verkleinert.

Wir empfehlen weiterhin, die Schutzkappen auf den Buchsen der Aufnehmer und Ladungsverstärker zu belassen, bis der Aufnehmer oder Ladungsverstärker angeschlossen wird. Beim Trennen der Verbindung sollte die Schutzkappe wieder aufgeschraubt werden.

Piezoelektrische Aufnehmer müssen mit dem Ladungsverstärker mit einem hochwertigen Koaxialkabel verbunden werden, hier bietet HBM das Kabel 1-KAB143/3 an. Ein solches Kabel kann nicht repariert werden, bei Beschädigung ist es auszutauschen.

Wird die Messkette immer mit angeschlossenem Kabel betrieben und werden die Aufnehmer immer mit Schutzkappen gelagert, so treten verschmutzte Kontaktflächen in der Regel nicht auf.

3. Reinigen Sie verschmutzte Buchsen

Sollte es trotz aller Vorsicht zu verschmutzten Buchsen kommen, können diese wie folgt gereinigt werden:

Zunächst den Stecker abschrauben
Die weiße Fläche der Buchse mit einem Vliesstoffpad (z.B. HBM-Bestellnummer 1-8402.0026) trocken reinigen
Die Buchse mit reinem Isopropanol (z.B.: IPA200 von RS Components) einsprühen
Nochmals mit einem neuen Vliesstoffpad reinigen

Die Stecker des Kabels können nicht gereinigt werden, d.h. ist das Kabel verschmutzt, muss es ausgetauscht werden.

Das Reinigungsmittel RMS1, das zur Reinigung von DMS-Installationsstellen eingesetzt wird, ist nicht zur Reinigung von piezoelektrischen Aufnehmern geeignet.

4. Optimieren Sie das Umfeld der Kraftmessung

Einfluss der Aufnehmertemperatur auf die Kennlinie:

Der Einfluss der Temperatur auf die Empfindlichkeit der Aufnehmer ist mit 0,2% / 10K sehr gering und für die meisten Anwendungen vernachlässigbar.

Temperaturänderungen führen zu thermischen Spannungen. Weiterhin ist das E-Modul der Vorspannelemente temperaturabhängig.

Es ist wichtig, dass sich das Ausgangssignal nur im Falle einer Temperaturmodifikation ändert. Bei stationären Zuständen wird keine Ladung erzeugt und es ergibt sich kein Einfluss auf die Temperaturänderungen auf die Messung.

Die Temperatureffekte lassen sich minimieren, wenn darauf geachtet wird, dass

der Aufnehmer ausreichend lange Zeit bei Anwendungstemperatur gelagert wird,
die Aufnehmer kurz vor der Messung nicht mit den Händen angefasst werden, da die Handwärme die Aufnehmer ungleichmäßig aufwärmt,
nach jedem Messzyklus ein Reset (Nullsetzen) erfolgt.

Gerade bei Messzeiten bis in den Minutenbereich und bei größeren Kräften sind die Einflüsse von Drift und Temperaturänderungen äußerst gering und führen nicht zu relevanten Verfälschungen der Messung.

5. Beachten Sie die Belastungsgrenzen

Bei den piezoelektrischen Kraftaufnehmern liegt der Kristall im direkten Kraftfluss. Die Messelemente (aus Quarz oder GaPO4) sind für den jeweiligen Aufnehmer auf die maximal auftretende Normalkraft ausgelegt.

Eingeleitete Biegemomente können zu einer Überlastung des Aufnehmers führen, da der Kristall auf der einen Seite stärker beansprucht wird, im Gegenzug erfolgt eine Entlastung auf der gegenüberliegenden Seite.

Die maximale Spannung errechnet sich aus der Addition der durch das Biegemoment verursachten Spannungen im Kristall und der Lastspannungen der zu messenden axialen Kräfte. In keinem Fall darf die maximal erlaubte Flächenpressung überschritten werden.

Da bei piezoelektrischen Aufnehmern das Ausgangssignal nicht von der Nennkraft des Aufnehmers abhängt, bietet es sich an, einen Aufnehmer mit einer höheren Nennkraft zu wählen, um in solchen Fällen eine Überlastung zu verhindern. Das folgende Diagramm zeigt das maximal zulässige Biegemoment in Abhängigkeit von der Prozesskraft. Das höchste zulässige Biegemoment kann der Kraftmessring bei 50% Gesamtlast (der Summe aus Vorspannung und anliegender Kraft) aufnehmen.

Wird das Biegemoment durch eine seitliche Kraft erzeugt, entsteht hierdurch noch eine Querkraft, die die maximalen Werte verringert.

Der durch das Biegemoment verursachte Messfehler ist gering, da die höhere Materialspannung auf der einen Seite des Kristalls durch eine geringere Spannung auf der anderen Seite kompensiert wird.

Wird ein piezoelektrischer Kraftmessring (1-CFW/50kN) mit einem Biegemoment von 100 Nm belastet, so ergibt sich ein Ausgangssignal von -2,3N. Bitte beachten Sie die maximalen Querkräfte laut Datenblatt.

Auswahl der Komponenten

Eine piezoelektrische Messkette besteht aus dem eigentlichen Aufnehmer, dem Ladungsverstärker und dem Verbindungskabel zwischen den Komponenten.

Ist die maximale zu messende Kraft bekannt, so lässt sich hieraus der passende analoge Ladungsverstärker der Serie CMA wählen.

Mit dem digitalen Ladungsverstärker CMD600 von HBM sind die Messbereiche frei einstellbar. Außerdem bietet CMD600 weitere Zusatzfunktionen, z.B. Linienschreiber, Messwertspeicherung, Spitzenwerte/Grenzwerte, automatisches Einlernen der Messbereiche („Sensorteach-Funktion“).

Der Aufnehmer selber kann nach der maximalen Überlast und geometrischen Anforderungen ausgelegt werden, da das Ausgangssignal nicht von der Nennkraft abhängt.

Der CMD600 kann alle Messbereiche abdecken, eine bewusste Auswahl entfällt.