Glossar Kraftmesstechnik Glossar Kraftmesstechnik | HBM

Glossar Kraftmesstechnik: Merkmale von Kraftaufnehmern

Im praktischen Online-Glossar finden Sie die wichtigsten Fachbegriffe aus dem Bereich der Kraftmesstechnik: Ob DMS-basierte oder piezoelektrische Sensoren, Kraftmessdosen mit Strom- oder Spannungsausgang oder aus dem Bereich der Dehnungssensoren.

Normen, Richtlinien und allgemeine Informationen

DIN EN ISO 376

Die DIN EN ISO 376 beschreibt ein Kalibrierverfahren für Kraftaufnehmer oder Messketten (in der Norm wird allgemein von Kraftmessgeräten gesprochen), das für Sensoren angewendet wird, die als Referenzkraftaufnehmer bzw. als Transfernormal eingesetzt werden sollen bzw. greift, wenn es hohe Ansprüche an die Messunsicherheitsbestimmung gibt.  Der Ablauf umfasst mehrmaliges Vorbelasten mit Nennkraft, stufenweises Belasten mit acht oder zehn Laststufen in drei jeweils um 120° gedrehten Einbaulagen und eine Kriechmessung.

Anschließend wird jedem kalibrierten Kraftaufnehmer ein Kalibrierschein beigefügt, der den Aufnehmer klassifiziert und die Kennwerte auswertet und dokumentiert. Ebenfalls enthält der Kalibrierschein Angaben zu der eingesetzten Kalibriereinrichtung, dem dabei verwendeten Messverstärker und den Umgebungsbedingungen, die bei der Kalibrierung vorlagen (Temperatur, Luftdruck, etc.)

Tipp: Hier finden Sie einen interaktiven Kalibrierschein. Die einzelnen Bestandteile einer Kalibrierung nach DIN EN ISO 376 werden Schritt für Schritt erklärt.

VDI/VDE 2638

Die VDI/VDE 2638 definiert Kenngrößen für Kraftaufnehmer, um eine einheitliche Sprachregelung und ein einheitliches technisches Verständnis zu schaffen.

IP-Schutzarten nach EN 60529

Die IP-Schutzart gibt an, wie gut ein Betriebsmittel gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser geschützt ist. Der Schutzgrad besteht aus einer zweistelligen Ziffer, wie z.B. IP67. Dabei beschreibt die erste Ziffer den Schutz gegen das Eindringen fester Fremdkörper, die zweite den Schutz gegen das Eindringen von Wasser.

Beispiel: IP67 – Staubdicht, Schutz vor zeitweiligem Untertauchen bis maximal einem Meter Wassertiefe für 30 Minuten.

Tipp: Hier finden Sie ein Artikel aus der HBK-Wägetechnik mit weiteren nützlichen Informationen zum Thema IP-Schutzarten

Mechanische Schockbeständigkeit nach IEC 60068-2-6

Die mechanische Schockbeständigkeit gibt an, inwieweit ein Sensor mechanischen Belastungen ausgesetzt werden darf.

Die Norm nach IEC 60068-2-6 beschreibt die Durchführung eines Fallversuchs, wodurch z.B. die Anzahl der Schocks und die Beschleunigung definiert wird. Details zu den Kenngrößen sind in den technischen Daten im Datenblatt oder in der Bedienungsanleitung des jeweiligen Aufnehmers zu finden.

Schwingbeanspruchung nach IEC 60068-2-27

Die Norm nach IEC 60068-2-27 beschreibt das Vorgehen zur Ermittlung der Schwingfestigkeit von Betriebsmitteln. Für HBK-Kraftaufnehmer bedeutet das, dass diese einer sich verändernden Frequenz zwischen 5 und 65 Hz ausgesetzt werden. Weitere Details zu den Kenngrößen (Beschleunigung, Anzahl der Wiederholungen) können den technischen Daten im Datenblatt oder in der Bedienungsanleitung entnommen werden. 

Referenzkraftaufnehmer/Transfernormale

Sensoren, die den Anforderungen einer Genauigkeitsklasse der ISO 376 entsprechen, werden als Referenzkraftaufnehmer oder Transfernormale bezeichnet. Diese Sensoren erreichen definierte Genauigkeitsklassen in einem angegebenen Messbereich, z.B. erreicht der Kraftaufnehmers C15 die Genauigkeitsklasse 00 nach DIN EN ISO 376 in einem Messbereich zwischen 10 % und 100 % der Nennkraft.

Kenngrößen nach DIN EN ISO 376

Genauigkeitsklasse nach ISO 376

Nach ISO376 kalibrierte Kraftaufnehmer werden in Genauigkeitsklassen eingeteilt. Die höchste Genauigkeitsklasse ist die Klasse 00, es folgen 0.5, 1 und die Klasse 2.

Für jedes der unten genannten Einzelmerkmale gibt es einen Grenzwert für jede der vier Genauigkeitsklassen. Sind also alle Merkmale eines Kraftaufnehmers der genauesten Klasse (00) zuzuordnen, außer der Wiederholpräzision, so wird der gesamte Sensor in dieser Laststufe in die Klasse eingeordnet, die er in der Wiederholpräzision erreicht. 

Folgende Merkmale werden betrachtet:

 

  • (Erweiterte) Vergleichspräzision
  • Wiederholpräzision
  • Interpolationsabweichung
  • Nullpunktabweichung
  • Umkehrspanne/Hysterese
  • Kriechen
  • Erweiterte Messunsicherheit der Kalibrierkraft

Hinweis: Eine kleinere Genauigkeitsklasse steht für einen genaueren Sensor.

Vergleichspräzision (b); [%]

Die Vergleichspräzision gibt die Abweichung des arithmetischen Mittels der jeweiligen Laststufe in veränderter Einbaulage an. Das Verfahren hierzu ist in der ISO 376 festgelegt. Der Kraftaufnehmer wird nach Montage einer stufenweisen Belastung in einer Einbaustellung demontiert, um 120 Grad gedreht und erneut montiert. Wenn in dieser neuen Position die Messreihe mit gleichen Laststufen wie in der ersten Messreihe abgeschlossen ist, folgt eine erneute Demontage, eine Drehung um 120 Grad in der Kalibrieranlage und eine weitere Messung, ebenfalls bei den gleichen Laststufen. Die Ergebnisse jeder Laststufe werden anschließend zur Berechnung der Vergleichspräzision genutzt. Deshalb wird im Kalibrierschein eine Vergleichspräzision für jede Kalibrierstufe angegeben. Diese Angabe erfolgt relativ zur Messkraft.

Wiederholpräzision (b`); [%]

Die Wiederholpräzision gibt die Abweichungen der jeweiligen Laststufe in unveränderter Einbaulage an, d.h. dieser Wert zeigt, wie gut ein Sensor in einer Einbaustellung reproduziert. Hierzu wird der Sensor ohne Aus- und Einbau zweimal mit den gleichen Laststufen belastet. Die Angabe erfolgt im Kalibrierschein relativ zur Messkraft.

Interpolationsabweichung (fc); [%]

Bei Referenzkraftaufnehmern (U15, Top Class Aufnehmer, …) wird die Interpolationsabweichung relativ zum Messwert angegeben. Die Kalibrierung gemäß der ISO 376 ergibt als Ergebnis in der Regel nicht einen Kennwert als Angabe der Empfindlichkeit, sondern eine Funktion. Entsprechend ist die Interpolationsabweichung die Differenz der realen Kennlinie des Sensors zu der Funktion, die das Ergebnis der Kalibrierung darstellt. 

Wichtig: Dieser Messunsicherheitsbeitrag wird nicht relativ zum Messbereichsendwert, sondern relativ zur Kraftstufe (also zum Messwert) angegeben. Bei HBK wird die Kennlinie der Kraftaufnehmer in Kalibrierscheinen als Funktion dritten Grades angegeben.

(Relative) Nullpunktabweichung (f0); [%]

Die relative Nullpunktabweichung gibt die Abweichung des Nullpunktes an. Zur Ermittlung der Nullpunktabweichung wird das Nullsignal nach einem Be- und Entlastungszyklus aufgezeichnet und ist ein Maß für die Nullpunktrückkehr.

Umkehrspanne/Hysterese (v); [%] 

Die Umkehrspanne (Hysterese) beschreibt den Unterschied der Kennlinie bei auf- und absteigender Belastung. Bei HBK wird immer die maximal mögliche Abweichung der Kennlinien im Datenblatt angegeben. Die Hysterese des individuellen Sensors ist deshalb in der Regel kleiner als die Werte im Datenblatt.

Die Angabe der Umkehrspanne nach DIN EN ISO376 erfolgt nicht bei einer festgelegten Kraftstufe (siehe relative Umkehrspanne/Hysterese nach VDI/VDE 2638), sondern in einem Bereich (z.B. 10% … 100% von Fnom).

Im Kalibrierschein finden Sie die Hysterese für jede angefahrene Laststufe.

Kriechen (c); [%] 

Aufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) zeigen unter konstanter Last eine kleine Signalveränderung, die näherungsweise in Form einer e-Funktion verläuft. Dieser Vorgang wird als Belastungskriechen bezeichnet. Wird die Kraft entfernt, ändert sich das Signal in umgekehrter Richtung in etwa gleicher Weise und wird als Entlastungskriechen bezeichnet.

Die Angabe des maximalen Wertes der Signaländerung erfolgt in Prozent relativ zur anliegenden Kraft, nicht relativ zur Nennkraft (Fnom). Ebenfalls wird die Zeit angeben, in der die Signaländerung ermittelt wurde, typischerweise nach 5 oder 30 Minuten.

Aufgrund des Verlaufs in Form einer e-Funktion, kann die Angabe im Datenblatt in sehr guter Näherung als Kriechmaximum angenommen werden. Dieser Wert kann nicht linear hochgerechnet werden, d.h. das Kriechen wird nicht doppelt so groß, wenn sich die Betrachtungszeit verdoppelt.

Genauigkeitsangaben

HBM-Genauigkeitsklassen

Die Genauigkeitsklassen der Sensorhersteller unterliegen keinem Standard und keiner Normung. Bei HBK gilt: Die HBM-Genauigkeitsklasse ergibt sich aus dem größten Einzelmerkmal. Dabei werden folgende Kenngrößen eines Kraftaufnehmers beachtet:

  • TK0 (Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes)
  • TKc (Temperaturabhängigkeit des Kennwertes)
  • Relative Hysterese/Umkehrspanne
  • Linearität
  • Relatives Kriechen 

Die Genauigkeitsklasse kann helfen, die Einzelkomponenten einer Messkette sinnvoll zu wählen, indem man Komponenten so auswählt, dass deren Genauigkeitsklasse in etwa gleich ist.

Da es sich bei Genauigkeitsklassen um eine selbstdefinierte Herstellerangabe handelt, ist es nicht möglich, messtechnische Komponenten verschiedener Hersteller unter Verwendung der Genauigkeitsklasse zu vergleichen.

Hinweis: Eine kleinere Genauigkeitsklasse steht bei HBK für einen genaueren Sensor.

Relative Spannweite in unveränderter Einbaulage (brg); [%]

Die relative Spannweite gibt die Abweichung des arithmetischen Mittels der jeweiligen Laststufe in unveränderter Einbaulage an. Der Wert zeigt also, wie gut ein Sensor in einer Einbaustellung reproduziert. Hierzu wird der Sensor ohne Aus- und Einbau zweimal mit den gleichen Laststufen belastet.

Relative Umkehrspanne/Hysterese (v0,4; v0,5); [%]

Die Umkehrspanne (Hysterese), beschreibt den Unterschied der Kennlinie bei auf- und absteigender Belastung. Dem Datenblatt des jeweiligen Kraftaufnehmers kann entnommen werden, bei welcher Kraftstufe (z.B. 0,4 * Fnom = bei 40% der Nennkraft) die Angabe erfolgt. Bei HBK wird immer die maximale Abweichung der Kennlinien angegeben. Die Hysterese des individuellen Sensors ist deshalb in der Regel kleiner als der im Datenblatt angegebene Wert. 

(Relative) Linearitätsabweichung (dlin); [%]

Der Linearitätsfehler wird so angegeben, dass er auf die Nennkraft (Messbereichsendwert) bezogen wird. Eine Kalibrierung hilft, die durch die Linearität bedingte Messunsicherheit zu minimieren. Hierzu empfiehlt es sich, den Kraftbereich kalibrieren zu lassen, bei dem der Sensor später auch eingesetzt wird (Teilbereichskalibrierung).

Bei HBK wird immer der maximal mögliche Linearitätsfehler im Datenblatt angegeben, d.h. kein Sensor hat einen größeren Linearitätsfehler als im Datenblatt angegeben.

Relative Nullpunktrückkehr [%]

Die relative Nullpunktrückkehr beschreibt das Nullsignal nach einer Belastung des Kraftsensors mit seiner Nennkraft.

Relatives Kriechen (dcr, F; dcr, E); [%]

Aufnehmer auf Basis von DMS zeigen unter konstanter Last eine kleine Signalveränderung, die näherungsweise in Form einer e-Funktion verläuft. Dieser Vorgang wird als Belastungskriechen bezeichnet. Wird die Kraft entfernt, ändert sich das Signal in umgekehrter Richtung in etwa gleicher Weise und wird als Entlastungskriechen bezeichnet. 

Die Angabe des maximalen Wertes der Signaländerung erfolgt in % relativ zur anliegenden Kraft, nicht relativ zur Nennkraft (Fnom). Ebenfalls wird die Zeit angeben, in der die Angabe ermittelt wurde, typischerweise nach 30 Minuten.

Aufgrund des Verlaufs in Form einer e-Funktion, kann die Angabe im Datenblatt in sehr guter Näherung als Kriechmaximum angenommen werden. Der Wert kann nicht linear hochgerechnet werden, d.h. das Kriechen wird nicht doppelt so groß, wenn sich die Betrachtungszeit verdoppelt.

  

Biegemomenteinfluss (dMB); [%]

Der Biegemomenteinfluss gibt den Einfluss eines Biegemoments auf das Ausgangssignal eines Kraftaufnehmers an und kann somit Bestandteil der Messunsicherheitsbetrachtung sein. Die Angabe in den technischen Daten der Kraftaufnehmer beschreibt dabei die prozentuale Abweichung bei einem fiktiven Biegemoment, das sich wie folgt berechnen lässt:

Mb fiktiv= 10% of Fnom* 10 mm.  

Beispiel: Gehen wir von einem Kraftaufnehmer mit einer Nennkraft von 250 kN aus. In den technischen Daten ist ein Biegemomenteinfluss von 0,01 % vermerkt. Das Biegemoment, das diesen Einfluss verursacht, ist also:

10% of Fnom * 10 mm à 25,000 N * 0,01 m = 250 Nm 

Bei diesem einwirkenden Biegemoment ist der maximale Einfluss dann 0,01 % des Messbereichsendwertes (in unserem Beispiel 250 kN), das entspricht:

Dieser Messunsicherheitsbeitrag wächst linear mit dem einwirkenden Biegemoment, d.h. bei einem einwirkenden Moment von 500 Nm ergeben sich 50 N - bei einem Biegemoment von 125 Nm ist der maximale Einfluss 12,5 N.

Beachten Sie ebenfalls das in den technischen Daten angegebene Grenzbiegemoment (dMB).

Querkrafteinfluss (dQ); [%]

Der Querkrafteinfluss beschreibt den Einfluss einer Querkraft auf das Ausgangssignal. Die Angabe erfolgt bei einer Querkraft von 10% der Nennkraft (Fnom). Dieser Beitrag zur Messunsicherheit berechnet sich relativ zum Messbereichsendwert (Nennkraft). 

Exzentrizitätseinfluss (dE); 

Der Exzentrizitätseinfluss beschreibt den Einfluss einer außermittigen Krafteinleitung. Die Berechnung des Einflusses erfolgt, indem man die Exzentrizität in der Anwendung mit der Angabe im Datenblatt und der anliegenden Kraft multipliziert.

Beispiel: Ein Kraftaufnehmer wird mit 200 kN und einer Exzentrizität von 10 mm belastet. Der Exzentrizitätseinfluss in den technischen Daten ist mit 0,04 %/mm angegeben. Der Exzentrizitätseinfluss ist dann

Temperaturkoeffizient des Nullsignals (TK0); [%/10 K]

Das Nullsignal eines Kraftaufnehmers ändert sich geringfügig mit der Temperatur. Dieser Effekt wird durch die Wheatstone’sche Brückenschaltung und andere Maßnahmen weitestgehend kompensiert, so dass moderne Kraftaufnehmer einen Restfehler von weniger als 0,015% / 10 K aufweisen.

Der Temperaturkoeffizient (TK0) des Nullsignals muss immer auf die Nennkraft (Fnom) bezogen werden, unabhängig davon, welche Kraft gemessen wird. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, bei größeren Temperaturschwankungen und/oder wenn im Teillastbereich gearbeitet wird, einen Kraftaufnehmer zu verwenden, der einen besonders kleinen TK0 aufweist.

Temperaturkoeffizient des Kennwertes (TKC) [ %/10 K] 

Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen ändern in geringem Maße ihre Empfindlichkeit bei Änderung der Temperatur. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass der E-Modul des Werkstoffes bei steigender Temperatur kleiner wird. Gleiche Kraft führt also zu höherer Dehnung und damit zu einem größeren Ausgangssignal. Auch der k-Faktor (Proportionalitätsfaktor zwischen Widerstandänderung und Dehnung; die Empfindlichkeit eines Dehnungsmessstreifens) der Dehnungsmessstreifen ist temperaturabhängig.

Die somit entstehende Temperaturabhängigkeit des Kennwertes (der Empfindlichkeit) wird bei der Produktion der Sensoren bei HBK kompensiert und ist deshalb sehr gering.

Kein Exemplar, das von HBK ausgeliefert wird, zeigt einen größeren TKC, als im Datenblatt angegeben. 

Elektrische Kenngrößen

Nullsignal

Das Nullsignal ist das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers in nicht montiertem, aufrechtem Zustand. Durch Montieren von Anbauteilen und Vorspannen des Kraftaufnehmers kann sich das Nullsignal ändern.

Das Nullsignal ist (wie auch die relative Abweichung des Nullsignals) kein Messfehler und kann durch Tarieren oder Nullsetzen eliminiert werden.

Relative Abweichung des Nullsignals (ds,0); [%]

Die relative Abweichung des Nullsignals gibt die maximale Abweichung des Nullsignals bei Referenztemperatur ohne Anbauteile und ohne Last in aufrechter Position an. Die angegebene Nullpunktabweichung ist kein Messfehler und wichtig für die Wahl eines geeigneten Messverstärkers, da eine Nullpunktabweichung einen Einfluss auf das maximale Ausgangssignal hat. Es ist also möglich, dass das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers außerhalb des Eingangsbereich des Messverstärkers liegt.

Kennwert (C)

Der Kennwert bezeichnet das Ausgangssignal, das entsteht, wenn der Kraftaufnehmer mit Nennkraft (Fnom) belastet wird. Dabei wird ein eventuelles Nullsignal abgezogen. Die Angabe erfolgt in mV/V.

Beispiel: Ein Aufnehmer zeigt ein Nullsignal von -0,1 mV/V. Bei einem Kennwert von 2 mV/V liegt bei Nennkraft ein Ausgangssignal von 1,9 mV/V an, wenn zuvor nicht nullgesetzt wurde.

Ein Kennwert von 2 mV/V bedeutet, dass ein Kraftaufnehmer ein Ausgangssignal von 2 mV erzeugt, wenn er mit einem Volt gespeist wird. Folglich liegt bei einer Speisespannung mit 5 V eine Ausgangsspannung von 10 mV an. Die anliegende Ausgangsspannung lässt sich wie folgt berechnen:

  • U Ausgangsspannung
  • U0  Speisespannung 
  • C Kennwert
  • F wirkende Kraft 
  • Fnom Nennkraft des Kraftsaufnehmers

Bitte beachten Sie, dass in dieser Formel das Nullsignal als ideal null vorausgesetzt ist oder von einer Messung ausgeht, bei der zuvor nullgesetzt wurde.

Kennwertbereich (C); [mV/V]

Einige Kraftaufnehmer können ohne einen justierten Kennwert bezogen werden. Bei diesen Sensoren wird der Kennwert in einem Bereich angegeben, der durch den Kennwertbereich (C) in den technischen Daten des jeweiligen Sensors beschrieben wird. Typische Kennwertbereiche sind, z.B. 2 mV/V … 3 mV/V oder 4 mV/V … 4,8 mV/V.

Der individuelle Kennwert eines Sensors kann dem beiliegenden Prüfprotokoll entnommen werden oder wird, falls vorhanden, in einem TEDS-Chip hinterlegt.

Nennkennwert (Cnom); [mV/V]

Der Nennkennwert ist der Kennwert, auf den ein Kraftaufnehmer ausgelegt wird. Bei der Produktion von Kraftsensoren ergeben sich durch Produktionstoleranzen Streuungen, folglich kann der Kennwert eines einzelnen Kraftaufnehmers vom Nennkennwert abweichen. Dies ist in der Kennwerttoleranz (dc) angegeben.

Jedem HBK-Aufnehmer liegt ein Prüfprotokoll bei, das den exakten Kennwert für den individuellen Aufnehmer aufweist. Eine Ausnahme gilt für Sensoren, die erst nach der Montage kalibriert (eingemessen) werden, z.B. Messringe der Serien KMR+ oder CFW.

Häufig wird der Kennwert eines Kraftaufnehmers bereits während der Fertigung justiert, so dass alle Sensoren des gleichen Typs einen Kennwert mit sehr stark eingeschränkter Toleranz erhalten, oder es lässt sich eine Kennwertjustage als Option wählen. Typische Kennwerte sind z.B. 2 mV/V oder 3 mV/V.

Tipp: Stellen Sie den Messverstärker immer nach den Angaben des Prüfprotokolls oder einer vorhandenen Kalibrierung ein, um die optimale Messgenauigkeit zu erreichen. Die Kennwerttoleranz hat in diesem Fall keinen Einfluss auf die Genauigkeit ihrer Messung.

Es ist auch möglich, den Aufnehmer mit so genannten TEDS zu bestellen. Hierbei wird ein kleiner Chip in den Aufnehmer oder das Kabel eingebaut, in dem die exakten Angaben des Prüfprotokolls oder einer eventuellen Kalibrierung gespeichert sind. Geeignete Messverstärker können dies auslesen und stellen sich entsprechend automatisch ein.

Relative Kennwertabweichung (dC); [%]

Gibt die erlaubte Abweichung des individuellen Kennwertes eines Kraftaufnehmers vom Nennkennwert in Prozent an. Das ist weder Messfehler noch Genauigkeitseinschränkung, wenn das Prüfprotokoll oder ein Kalibrierschein zum Einstellen des Messverstärkers verwendet wird (das Prüfprotokoll liegt jedem Sensor bei).

Relativer Kennwertunterschied Zug/Druck (dZD); [%] 

Für Zug- und Druckbelastungen einsetzbare Kraftaufnehmer, z.B. Aufnehmer der Serie U3, U9C oder U15, weisen häufig einen kleinen Unterschied ihrer Kennlinie auf, je nachdem ob sie für die Erfassung von Zug- oder Druckkräften eigesetzt werden.

Der maximale Unterschied zwischen den Kennlinien wird mit der Kenngröße relativer Kennwertunterschied Zug/Druck beschrieben.

Eingangswiderstand (Re); [Ω]

Der Eingangswiderstand ist der zwischen den Eingangsspannungsanschlüssen gemessene Widerstand. Da die Wheatstone’sche Brückenschaltung mit weiteren Widerständen versehen wird, die dem Abgleich des Kraftaufnehmers dienen, können die Werte für Eingangs- und Ausgangswiderstand unterschiedlich sein.

Beachten Sie, dass der Gesamtwiderstand der Schaltung sinkt, wenn Kraftaufnehmer parallelgeschaltet werden. Dabei darf die in der Bedienungsanleitung des Messverstärkers angegebene Grenze für den Gesamtwiderstand nicht unterschritten werden.

Ausgangswiderstand (Ra); [Ω]

Der Ausgangswiderstand ist der zwischen den Ausgangsspannungsanschlüssen gemessene Widerstand. Bei Parallelschaltung von Kraftaufnehmern sollte die Toleranz des Ausganswiderstandes sehr gering sein, da sonst Querströme das Messergebnis beeinflussen können.

HBK hält Kraftsensoren bereit, die sich zur Parallelschaltung eignen.

Isolationswiderstand (Ris); [Ω] 

Der Widerstand zwischen einer beliebigen Anschlussleitung und dem Messkörper ist der Isolationswiderstand. Dabei wird, bei Raumtemperatur, eine Prüfspannung über eine Anschlussleitung auf die innenliegende Verdrahtung des Aufnehmers gegeben und der Widerstand gegenüber dem Messkörper gemessen. Entspricht dies nicht dem im Datenblatt angegebenen Wert, ist der Aufnehmer auszutauschen, da die Kenndaten nicht weiter eingehalten werden.

Gebrauchsbereich der Speisespannung (BU,G); [V] 

Die Speisespannung ist die Versorgungsspannung des Kraftaufnehmers und wird in einem Bereich, z.B. 0,5 V bis 12 V, angegeben.

Wird die maximale Speisespannung überschritten, kann dies zur Folge haben, dass sich die DMS zu stark erwärmen, was zu einer Änderung des Nullpunktes (siehe TK0) und zu einer Änderung der Empfindlichkeit und damit des Kennwertes (siehe TKC) führt.

Referenzspeisespannung (Uref); [V] 

Die Referenzspeisespannung, in der Regel 5 V, wird zur Ermittlung aller Kenndaten der Kraftaufnehmer genutzt. Bei Hochpräzisionsmessungen empfehlen wir, diese Speisespannung zu verwenden, oder alternativ eine Messkettenkalibrierung in Auftrag zu geben.

6/4-Leiterschaltung

HBK-Kraftaufnehmer werden standardmäßig in 4- oder 6- Leiterschaltung ausgeführt. Die Messdose selbst und das Anschlusskabel bilden einen Spannungsteiler, d.h. je höher der Kabelwiderstand, desto geringer die Spannung an den DMS des Kraftaufnehmers. Eine geringere Spannung an der Wheatstone-Brücke führt nun wieder zu einem geringeren Ausgangssignal: Der Kennwert des Kraftsensors ändert sich also mit dem Widerstand der Zuleitung.

Bei der 6-Leiterschaltung wird die Spannung direkt an der DMS-Brücke mittels zweier zusätzlicher Leitungen gemessen und ggf. korrigiert, weshalb die Empfindlichkeit (der Kennwert) unabhängig von Leitungslänge oder Temperatur ist. Besonders günstig ist, dass der Leitungswiderstand kontinuierlich ausgeregelt wird, d.h. auch wenn sich der Zuleitungswiderstand auf Grund von Temperatur oder Änderung der Kabellänge ändert, hat dies keinen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Sensors.

Besonders bei hochgenauen Sensoren findet die 6-Leitertechnik Anwendung.

Soll ein in 6-Leitertechnik verschalteter Kraftaufnehmer an einen Messverstärker mit 4-Leitertechnik angeschlossen werden, empfehlen wir, die Fühlerleitungen mit den entsprechenden Speisespannungsleitungen kurzzuschließen. Dann sind die ohmschen Widerstände der Speiseleitung geringer, was den Spannungsabfall an der Zuleitung verringert – und damit den Einfluss der Kabellänge und eventuelle Temperatureinflüsse. Wenn Sie mit einem Verstärker in 4-Leitertechnik sehr genau messen müssen, empfiehlt sich eine Messkettenkalibrierung, um den Kabeleinfluss durch die Kalibrierung auszuschalten.

Bei Kraftaufnehmern, die in 4-Leitertechnik ausgeführt sind, ist die Anschlussleitung Teil des

Abgleichnetzwerkes – Sie sollten die Leitungen nicht kürzen und möglichst in 6-Leitertechnik verlängern, um die Empfindlichkeit und den Temperatureinfluss auf den Kennwert nicht zu verschlechtern.

Wichtige Temperaturangaben

Referenztemperatur (Tref); [°C, °F] 

Die Referenztemperatur gibt die Temperatur an, bei der alle nicht temperaturabhängigen Messwerte ermittelt werden.

Die Referenztemperatur ist bei Aufnehmern mit und ohne integrierte Verstärker identisch. Die Referenztemperatur für HBK-Kraftaufnehmer ist 23 °C.

Nenntemperaturbereich (BT, nom); [°C, °F] 

Der Nenntemperaturbereich bezeichnet den Bereich, in dem der Kraftaufnehmer, die in den technischen Daten aufgeführten, Spezifikationen einhält.

Hinweis: Beachten Sie, dass sich der Nenntemperaturbereich bei einem Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker im Vergleich zu den Versionen ohne Verstärkermodul ändert.

Gebrauchstemperaturbereich (BT, G); [°C, °F] 

Mit dem Gebrauchstemperaturbereich wird die Temperaturspanne bezeichnet, in der Messungen mit dem Kraftaufnehmer möglich sind, jedoch mit einer eingeschränkten Genauigkeit gerechnet werden muss.

Hinweis: Beachten Sie, dass sich der Gebrauchstemperaturbereich bei einem Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker im Vergleich zu den Versionen ohne Verstärkermodul ändert.

Lagertemperaturbereich (BT, S); [°C, °F] 

Der Lagertemperaturbereich gibt den Bereich an, in welchem der Kraftaufnehmer gelagert werden kann, ohne beschädigt zu werden. Zu Messungen darf der Aufnehmer jedoch nicht eingesetzt werden.

Hinweis: Beachten Sie, dass der Lagertemperaturbereich bei einem Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker von den Versionen ohne Verstärkermodul abweicht.
 

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Mechanische Kenngrößen

Nennkraft (Fnom); [N] 

Die Nennkraft beschreibt, bei welcher Kraft der Kraftaufnehmer seinen Nennkennwert abgibt, er ist damit zu 100% belastet. Innerhalb dieses Kraftbereichs werden alle im Datenblatt genannten Spezifikationen eingehalten.

Beachten Sie bitte bei der Auslegung ihres Messaufbaus, dass auch Taralasten, z.B. durch das Eigengewicht von montierten Anbauteilen, eingerechnet werden müssen und einen Teil der Nennkraft aufbrauchen.

Bei dynamischer Belastung ist die relative zulässige Schwingbeanspruchung (frb) zu beachten.

(Relative) maximale Gebrauchskraft (FG); [%] [N] 

Die maximale Gebrauchskraft beschreibt, bis zu welcher Kraft der Kraftaufnehmer wenige Male genutzt werden kann, ohne dass er dabei Schaden nimmt. Dabei wird die maximale Gebrauchskraft absolut (in Newton) oder relativ zur Nennkraft (Fnom) in % angegeben. Der Gebrauchskraftbereich wird beispielsweise genutzt, um bei der Montage Gewinde vorzuspannen.

Wir empfehlen, den Kraftaufnehmer so auszuwählen, dass die maximale Gebrauchskraft nicht genutzt werden muss.

(Relative) Grenzkraft  (FL); [%] [N]

Die Grenzkraft wird absolut in Newton oder relativ zur Nennkraft (Fnom) in % angegeben. Wird der Kraftaufnehmer über seine Grenzkraft belastet, ist es möglich, dass der Sensor Schaden nimmt, und nicht mehr verwendet werden kann.

Häufig ist der Kraftaufnehmer nach einer Belastung oberhalb der Grenzkraft plastisch verformt, was sich an einer deutlichen Veränderung des Nullpunktes feststellen lässt. Der Aufnehmer darf nun nicht mehr eingesetzt werden und sollte ausgetauscht oder bei HBK geprüft werden.

(Relative) Bruchkraft (FB); [%] [N]

Auch die Bruchkraft wird absolut in Newton oder relativ zur Nennkraft (Fnom) angegeben. Wird diese Kraft erreicht, ist ein Bruch des Kraftaufnehmers möglich.

Beachten Sie hierzu die Sicherheitshinweise in der Montageanleitung des Kraftaufnehmers.

Grenzdrehmoment (MG); [N∙m] 

Das Grenzdrehmoment beschreibt das zulässige, um die Messachse des Kraftaufnehmers wirkende Drehmoment, welches bei gleichzeitiger Belastung mit Nennkraft (Fnom), keine bleibende Schädigung des Sensors und eine damit verbundene Änderung der Kenndaten des Aufnehmers zur Folge hat.

Grenzbiegemoment (Mb zul); [N∙m] 

Das Grenzbiegemoment beschreibt das zulässige, um die Messachse des Kraftaufnehmers wirkende, Biegemoment, das keine bleibende Schädigung des Sensors und damit verbundene Änderung der Kenndaten des Aufnehmers zur Folge hat.

Ein Biegemoment kann durch das Einleiten einer außermittigen (exzentrischen) Kraft oder durch eine anliegende Querkraft entstehen.

Maximale Exzentrizität (eG); [mm] 

Unter der maximalen Exzentrizität versteht man den maximal zulässigen Abstand zwischen dem wirkenden Kraftvektor und dem Mittelpunkt des Kraftaufnehmers.

Hinweis: Eine Exzentrizität erzeugt auch stets ein Biegemoment. Es gilt: Biegemoment = wirkende Kraft * Exzentrizität. Beachten Sie hierzu den Absatz Grenzbiegemoment.

(Maximale) Statische Grenzquerkraft (FQ); [%] 

Beschreibt die zulässige (maximale) statische Grenzquerkraft, die bei gleichzeitiger Belastung mit Nennkraft (Fnom) keine bleibende Veränderung der Kenndaten des Aufnehmers zu Folge hat. Die Angabe erfolgt in % relativ zur Nennkraft.

Nennmessweg (snom); [mm]

Der Nennmessweg gibt an, wie groß die Verformung eines Kraftaufnehmers in Messrichtung ist, wenn dieser mit Nennkraft (Fnom) belastet wird. 

Grundresonanzfrequenz (fG); [kHz] 

Wie jedes Masse-Feder-System weisen auch Kraftaufnehmer eine Grundresonanzfrequenz auf, welche sich mit folgender Formel berechnen lässt:

  • Cax Steifigkeit
  • m schwingende Masse
  • fG Grundresonanzfrequenz

Die Grundresonanzfrequenz in den technischen Daten berücksichtigt nur die schwingende Masse des Kraftaufnehmers und nicht die der notwendigen Anbauteile. Die Grundresonanzfrequenz des Systems ändert sich, wenn zusätzliche Massen an den Aufnehmer montiert werden.

Soll ein Kraftaufnehmer dynamisch eingesetzt werden, erfordert dies immer die Betrachtung der Einbausituation, bei der die Gesamtsteifigkeit des Systems und die Summe der schwingenden Massen berücksichtigt wird.

Tipp: Eine Faustregel ist, dass die statische Kalibrierung eines Kraftaufnehmers bis 20% der Grundresonanzfrequenz des Gesamtsystems eingesetzt werden kann.

Relative zulässige Schwingbeanspruchung (Frb); [%] 

Die relative zulässige Schwingbeanspruchung wird als relative Größe zur Nennkraft (Fnom) in % angegeben. Dabei beschreibt die zulässige Schwingbeanspruchung einen Spitze-Spitze-Wert, d.h. die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Kraft, mit welcher der Kraftaufnehmer sowohl schwellend als auch alternierend belastet werden darf.

Beispiel: Ein Kraftaufnehmer für Zug- und Druckbelastung weist eine Nennkraft (Fnom) von 200 kN auf, die relative zulässige Schwingbeanspruchung beträgt 100%. Der Kraftaufnehmer darf demnach zwischen 0 und 200 kN, aber auch zwischen -100 kN und 100 kN belastet werden.

Beachten Sie hierzu die Sicherheitshinweise in der Montageanleitung des Kraftaufnehmers.

Tipp: Sensoren mit einer Schwingbreite von 200 % können innerhalb ihres vollen Zug- und Druckkraftmessbereiches dauerfest verwendet werden.

Steifigkeit (cax); [105N/mm]

Die Steifigkeit eines Kraftaufnehmers ist das Verhältnis aus Nennkraft (Fnom) und Nennmessweg (Snom). Sie wird maßgeblich durch das Konstruktionsprinzip des Aufnehmers und seiner Nennkraft beeinflusst und lässt sich wie folgt berechnen:

  • Cax Steifigkeit
  • Fnom Nennkraft 
  • Snom Nennmessweg

Die Steifigkeit wird für die Berechnung der Grundresonanzfrequenz eines Kraftaufnehmers benötigt.
 

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Zusätzliche Informationen für Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker

VA1/VA2

Einige Kraftaufnehmer können mit einem integrierten Verstärker bezogen werden (z.B. U2B, C2, C6B) oder es steht ein Inline-Verstärker (bzw. eine Kabelelektronik) zur Verfügung. Diese Kraftaufnehmer geben wahlweise ein Ausgangssignal in Volt (VA1) oder in Milliampere (VA2) aus.

Ausgangssignal 

Das Ausgangssignal eines Kraftaufnehmers mit fest verbundenem Verstärker wird in einem Bereich angegeben. Bei einem Aufnehmer mit Spannungsausgang (VA1) liegt dieser bei 0 V – 10 V, mit Stromausgang (VA2) bei 4 mA – 20 mA.

Nennkennwert

Der Nennkennwert ist das Signal, das der Kraftaufnehmer bei einer Belastung mit Nennkraft (Fnom) liefert. Dies kann z.B. 10 V oder 20 mA sein.

Kennwerttoleranz

Die Kennwerttoleranz gibt die erlaubte Abweichung des Kennwertes vom nennkennwert an.

Nullsignal (mit integriertem Verstärker oder Kabelelektronik)

Das Nullsignal ist das Signal, das der Kraftaufnehmer in unbelastetem Zustand ausgibt. Das Nullsignal ist bei Aufnehmern für Zug- und Druckkräfte (z.B. U2B) und bei reinen Druckkraftaufnehmern (z.B. C2) unterschiedlich. Bei einem Stromausgang liegt der Nullwert für Sensoren, die nur für Druckkräfte eingesetzt werden können bei 4 mA, bei einem Spannungsausgang liegt der Nullwert bei 0 V. Im Falle von Kraftaufnehmern, die für Zug- und Druckkräfte ausgelegt sind, ist der Nullpunkt 12 mA bzw. 5 V.

Bereich des Ausgangssignals

Gibt den Bereich des Ausgangssignals an, in dem die Verstärkerelektronik ein Ausgangssignal liefert (z.B. - 0,3 V – 11 V).

Beachten Sie, dass bei Erreichen des Bereichsendwertes, eine höhere Last nicht zu einem höheren Ausgangssignal führt. Das kann zur Folge haben, dass eine Überlastung des Aufnehmers nicht erkannt und dieser nachhaltig beschädigt wird.

Grenzfrequenz [kHz]

Die Grenzfrequenz beschreibt die maximale Frequenz, die von der Elektronik verstärkt werden kann. Üblich ist es, diesen Wert mit einer Dämpfung von 3 db anzugeben.

Bereich der Versorgungsspannung [V] 

Die von einem Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker nötige Spannung ist die Versorgungsspannung und wird als Bereich angegeben (z.B.  19 V – 30 V). Unter- oder Überschreitung können zu Falschmessungen und im Extremfall zur Zerstörung des Sensors führen.

Nennversorgungsspannung [V]  

Die Nennversorgungsspannung soll mit der nominalen Ausgangsspannung der Versorgung übereinstimmen.

Maximale Stromaufnahme [mA]

Gibt den von einem Kraftaufnehmer mit integriertem Verstärker maximalen aufgenommenen Strom während des Betriebs an. Dieser ist bei Sensoren mit Spannungsausgang (VA1) und Stromausgang (VA2) unterschiedlich.

Mehr über Kraftmessdosen mit Strom- oder Spannungsausgang (0… 10 V, 4… 20 mA)

Ein Teil des HBK-Kraftmessportfolios ist wahlweise mit einem integrierten Verstärker und einem Spannungs- bzw. Stromausgang erhältlich. Erfahren Sie mehr über die Vorteile von Kraftsensoren mit 0... 10 V oder 4.... 20 mA Ausgangssignalen.

Zu den Kraftsensoren mit integrierter Elektronik               Zum kostenlosen Webinar anmelden: The Pros and Cons of Amplified Force Sensors

Zusätzliche Informationen für piezoelektrische Sensoren

Empfindlichkeit (S); [pC/N]

Die Empfindlichkeit eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers beschreibt die Ladungsänderung in Pikocoulomb pro Newton einwirkende Kraft. Die Empfindlichkeit ist die Steigung der Sensorkennlinie.

Beispiel: Ein piezoelektrischer Kraftaufnehmer mit einer Empfindlichkeit von 4  erfährt eine Kraftänderung von 100 N, so ändert sich dessen Ladung um 400 pC.

Übersprechen [N/N][N/Nm]

Das Übersprechen, oder auch Crosstalk, ist ein physikalisches Phänomen bei piezoelektrischen Sensoren. Dabei kommt es beim Anlegen einer Kraft in einer Richtung, die nicht der Messrichtung entspricht (Querkraft) zu einer minimalen Änderung des Ausgangssignals, das sich zum eigentlichen Messsignal addiert. Das Ausmaß dieser Änderung wird in den technischen Daten durch das Übersprechen beschrieben. Beachten Sie, dass Fz die Messachse ist.

Maximales Biegemoment (Mb, zul); [Nm] 

Aufgrund der Bauweise von piezoelektrischen Kraftaufnehmern dürfen diese nur im belasteten Zustand ein Biegemoment erfahren, welches bei 50 % der Nennkraft am höchsten sein darf. Prinzipbedingt ist das maximale Biegemoment Null, wenn keine Kraft oder die Maximalkraft anliegt.

Hinweis: Beachten Sie, dass die Angabe des maximalen Biegemoments von piezoelektronischen Kraftaufnehmern eine vom Grenzbiegemoment unabhängige Kenngröße ist.

Drift

Bei piezoelektrischen Kraftaufnehmern kommt es über Zeit zu sehr geringen Ladungsverlusten innerhalb der Messelektronik. Dies ist auf nicht vollkommene Isolationswiderstände, Bauteile des Ladungsverstärkers und Leitungen zurückzuführen. Die Elektronik kann die Änderung des Ladungszustandes auf Grund von Ladungsverlusten nicht von einer Ladungsänderung auf Grund einer Änderung der einwirkenden Kraft unterscheiden. Die Drift addiert sich auf das eigentliche Messsignal.

Dieser Effekt ist sehr klein. Er ist dennoch insbesondere dann relevant, wenn kleine Kräfte über eine lange Zeit gemessen werden sollen. Der Einfluss der Drift kann durch regelmäßiges Nullsetzen oder dem Einsatz von Hochpassfiltern ausgeschaltet werden.

Mehr über piezoelektrische Kraftaufnehmer

Die Tipps und Tricks zum Thema Kraftmessung widmen sich unter anderem der Frage, wann piezoelektrische Modelle DMS-basierten Sensoren vorzuziehen sind, und wann nicht.

Zu den Tipps und Tricks: Kraft                                   Zu den piezoelektrischen Kraftaufnehmern

Zusätzliche Informationen für Dehnungsaufnehmer

Nenndehnung (ɛn); [μm/m]

Die Nenndehnung beschreibt die Dehnung, bei der der Sensor zu 100% belastet ist.

Maximale Gebrauchsdehnung (ɛG); [%]  

Die maximale Gebrauchsdehnung beschreibt bis zu welcher Dehnung der Sensor keinen Schaden nimmt, wenn dieser nicht mehrfach innerhalb dieses Bereichs genutzt wird. Dabei wird die maximale Gebrauchsdehnung relativ zur Nenndehnung (ɛn) in % angegeben.

Der Sensor sollte so dimensioniert sein, dass die maximale Gebrauchsdehnung nicht genutzt werden muss.

Bruchdehnung (ɛb); [%]  

Auch die Bruchdehnung wird relativ zur Nenndehnung (ɛn) angegeben. Wird diese Kraft erreicht, ist ein Bruch des Dehnungsaufnehmers möglich.

Beachten Sie hierzu die Sicherheitshinweise in der Montageanleitung des Sensors.

Rückstellkraft (Fd); [N/µm]

Die Rückstellkraft bezeichnet die Kraft in Newton, die benötigt wird, um den Dehnungsaufnehmer auf Nenndehnung zu bringen.

Schwingbreite (ɛrb); [%] 

Die Schwingbreite beschreibt einen Spitze-Spitze-Wert, also die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Dehnung und wird dabei relativ zur Nenndehnung (ɛn) in % angegeben. Wichtig zu beachten ist, dass auch negative Dehnungen zulässig sind. In diesem Bereich darf der Dehnungsaufnehmer dauerhaft wechselnd genutzt werden.

Beispiel: Ein Dehnungsaufnehmer mit einer zulässigen Schwingbreite von 160 % darf dementsprechend zwischen einer negativen Dehnung von 60 % und einer positiven Dehnung von 100%, aber auch zwischen einer negativen, wie positiven Dehnung von 80 % der Nenndehnung (ɛn) wechselnd beansprucht werden.

Beschleunigungsempfindlichkeit in Messrichtung (da, s; da, q)

Die Beschleunigungsempfindlichkeit in Messrichtung beschreibt den Fehler des Sensors, wenn dieser einer Beschleunigung ausgesetzt ist. 

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