Darauf kommt es bei der Verschaltung an

1. Aufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen

Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) sind weit verbreitet und arbeiten auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Der mechanische Einbau wurde bereits in dem Artikel ‚Einbau von Kraftaufnehmern‘ behandelt. Hier geht es nun um die elektrische Verschaltung.

DMS-basierte Sensoren arbeiten mit einer sogenannten Wheatstone Brücke. Diese Brückenschaltung besteht aus vier Widerständen, die wie unten zu sehen verschaltet sind:

Alle DMS-Sensoren müssen mit einer geeigneten Versorgungsspannung oder Speisespannung UB betrieben werden.

Die Messverstärkersysteme stellen diese Speisespannung UB zur Verfügung. Üblich sind Werte zwischen 2,5 und 10 V. Den für Ihren Kraftaufnehmer geeigneten Wert finden Sie im Datenblatt unter dem Punkt ‚Gebrauchsbereich der Speisespannung‘.

Das Schaltbild oben zeigt, dass vier Leitungen ausreichen, um eine Wheatstone Brücke zu betreiben. Zwei Leitungen dienen dazu den Sensor mit Spannung zu versorgen, die anderen beiden Leitungen führen die Messspannung dem Messverstärker zu.

INFO:

Referenzspeisespannung ist die Versorgungsspannung, mit der die Sensoren bei der Ermittlung der technischen Daten gespeist wurden.

Der Gebrauchsbereich der Speisespannung ist die Speisespannung, mit der Ihr Kraftaufnehmer betrieben werden kann, wobei er die technischen Spezifikationen einhält.

Erhöhen Sie die Speisespannung über die angegebene Grenze hinaus, so erwärmen sich die DMS und andere Widerstände in den Kraftaufnehmern zu stark, sodass sich einzelne Parameter (Kennwert, Temperaturabhängigkeit des Kennwertes) ändern. Innerhalb des Gebrauchsbereichs der Speisespannung können diese Änderungen für experimentelle Anwendungen und Produktionsanwendungen vernachlässigt werden.

Die untere Grenze des Speisespannungsbereiches ist experimentell begründet: Tests bei der Speisespannung ‚Null‘ sind nicht realisierbar.

Bei Hochpräzisionsmessungen (Referenzmessketten) empfiehlt es sich, die Speisespannung zu wählen, die auf dem Kalibrierschein der Sensoren vermerkt ist. Noch empfehlenswerter ist es, die Messkette, d. h. den Messgrößenaufnehmer und die Elektronik gemeinsam, kalibrieren zu lassen.

2. Wie groß ist die Ausgangsspannung eines DMS-Aufnehmers?

Auf dem Prüfprotokoll finden Sie den exakten Nennkennwert des Sensors. In den meisten Fällen liegt dieser Kennwert bei 2 mV/V, wenn die Nennkraft anliegt.

Wie oben bereits erwähnt, versorgen die Messverstärkersysteme die Messbrücke mit einer Speisespannung. Oftmals beträgt diese Speisespannung 5 V. Ist der Nennkennwert Ihres Kraftaufnehmers 2 mV/V, so steht an der Eingangsstufe des Messverstärkers 10 mV zur Verfügung, wenn der Kraftaufnehmer mit Nennkraft belastet wird. Nutzen sie z. B. eine S2M/100 N, (Nennkraft 100 N, Kennwert bei Nennkraft 2 mV/V) und belasten diese mit 100 N, so erhalten Sie 10 mV.

Im Allgemeinen werden nicht immer 100 N gemessen, viel mehr sollen auch kleinere Abstufungen nachgewiesen werden können. Möchten Sie das Messsignal in unserem Beispiel oben auf 0,1 N auflösen, so stehen an der Eingangsstufe noch 10 µV zur Verfügung.

Weist Ihr Messverstärker eine Auflösung von 100 000 Teilen auf, was noch nicht einem Hochpräzisionsgerät, wie dem DMP41 von HBM entspricht, so entspricht dies dem Verhältnis der Höhe des Eiffelturmes (321 m) zur Dicke einer CD-Hülle.

Bei komplexeren Messaufgaben steigen die Anforderungen beträchtlich. Eine der Messaufgabe entsprechende Verschaltung macht Ihre Messergebnisse sicherer.

3. Sensoren in Vierleiterschaltung

Vier Anschlüsse sind minimal in der DMS-Messtechnik notwendig. Zahlreiche Sensoren arbeiten nach diesem Prinzip, das Vierleiterschaltung genannt wird. Die Skizze unten zeigt diese Verschaltung.

In den Speiseleitungen sind die Leitungswiderstände eingezeichnet. Diese Widerstände sollen zeigen, dass der Leitungswiderstand nicht zu vernachlässigen ist.

INFO:

Ein Kraftaufnehmer wird in Vierleiterschaltung betrieben. Folgende Parameter sind gegeben:

  • Brückenwiderstand: 350 Ω
  • Kupferkabel: 0.14 mm² cross-section
  • spez. Widerstand: ρ = 0,0178 Ω⋅mm²/m

Daraus lässt sich der Widerstand der Kupferleitung berechnen:
Bei 5 m Anschlusskabel (Hin- und Rückleitung beachten) beträgt der Leitungswiderstand 1,272 Ohm, bei 50 m entsprechend 12,72 Ohm.

Die Messbrücke und die Leitung bilden einen Spannungsteiler, als Folge fällt eine Teilspannung am Kabel ab. Somit liegt weniger Spannung an der Brückenschaltung an, entsprechend ist das Ausgangssignal geringer. Es ergibt sich ein Kennwertverlust.

Für 5 m sind dies 0,36 %, für 50 m erreicht man bereits eine Kennwertverringerung von 3,6 %. Diese Abweichungen sind einkalibriert, das heißt das Prüfprotokoll oder der Kalibrierschein weisen immer den Kennwert mit dem montierten Kabel aus.

Kupferkabel weisen einen temperaturabhängigen Widerstand auf. Mit steigender Temperatur steigt der elektrische Widerstand, sodass weniger Spannung an der Messbrücke anliegt. Dies ist beim Abgleich der Aufnehmer berücksichtigt, auch wenn die Sensoren in verschiedenen Kabellängen angeboten werden.

Die Kraftaufnehmer, die in Vierleiterschaltung von HBM ausgeliefert werden, sind inklusive des Sensorkabels kalibriert, d. h. der Kennwert stimmt exakt an den Enden des Kables, eine Verkürzung des  Kabels führt zu einer Änderung des Kennwertes. Damit die Kalibrierung erhalten bleibt, empfehlen wir daher, das Kabel nicht zu kürzen.

Geben Sie den Kennwert nach Prüfprotokoll ein: 

 

Ein Prüfprotokoll enthält viele Informationen. Wichtig ist der Kennwert, mit Hilfe dessen Sie den Messverstärker einstellen. Beispiel: Kraftaufnehmer U93/1kn

Die Leitungen, die an den Verstärkereingang führen, müssen nicht beachtet werden. Da die Eingangsstufen moderner Messverstärker so hochohmig sind, ist der Spannungsabfall auf diesen Leitungen ohne Bedeutung.

4. Sensoren in Sechsleiterschaltung

Viele Sensoren sind in Sechsleiterschaltung ausgeführt. Dabei werden zwei weitere Leitungen genutzt, die die Versorgungsspannung an der Brücke kontrollieren. Sollte sich durch Temparatureinfluss oder Änderung der Kabellänge der Kabelwiderstand verändern, so wird dies im Messverstärker so lange nachgeregelt, bis der Soll-Wert wieder erreicht ist.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, dass Sie sehr große Leitungslängen (bis zu 500 m) nutzen können, ohne dass sich dabei der Kennwert der Sensoren ändert. Auch durch Temperaturschwankungen verursachte Änderungen der Kabelwiderstände gehen nicht in das Messergebnis ein.

Das ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Temperatur des Kabels nicht mit der Temperatur des Kraftaufnehmers übereinstimmt.

INFO:

Wie oben beschrieben, sollte die Kabellänge bei Kraftaufnehmern in Vierleiterschaltung nicht geändert werden. Ist eine Kabelverlängerung notwendig, empfiehlt es sich, ein Sechsleiterkabel zur Verlängerung zu verwenden. An der Verbindungsstelle verbinden Sie neben den Speiseleitungen zusätzlich zwei ‚Fühlerleitungen‘, sodass der Messverstärker die Einflüsse der Kabelverlängerung ausregeln kann.

5. Schirmung

Bei HBM-Kraftaufnehmern ist der Kabelschirm immer mit dem Gehäuse verbunden. So ergibt sich ein Faradayscher Käfig, der Störungen von elektromagnetischen Feldern vermeidet. Falls Sensorkabel verlängert werden müsssen, verbinden Sie die Schirmung des Sensorkabels mit der Schirmung der Verlängerung, um den Faradayschen Käfig zu erhalten. Schließen Sie den Stecker so an, dass der Schirm großflächig auf den Stecker aufgelegt wird.

Befinden sich Aufnehmer und Messverstärker auf verschiedenen Potentialen, so können über den Kabelschirm Ausgleichsströme fließen, die große Störungen verursachen. Ideal ist es, wenn Sie eine niederohmige Verbindung herstellen (Potentialausgleich). Als Richtwert sei eine Leitung mit 16 mm2 Querschnitt empfohlen.

Sollte dies experimentell nicht möglich sein, so kann der Schirm im Stecker aufgetrennt werden. Dies ist in jedem Fall die ‚zweitbeste‘ Lösung.

HBM bietet ein weites Programm geeigneter Messkabel, die ihre Tauglichkeit bereits bewiesen haben. Die Anforderungen an ein Messkabel sind vielfältig: kapazitätsarm, temperaturstabil, symmetrisch.

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