Verbesserte Genauigkeit bei HBM-Kraftaufnehmern

HBM hat durch viele Detailverbesserungen die Genauigkeit des Kraftaufnehmers U10M verbessert - welche Vorteile ergeben sich in der Praxis? U10M ist immer schone ein präziser Sensor gewesen, zudem robust - in vielen Varianten bis zur Schutzklasse IP69, rostfrei, unempfindlich gegen Biegemomente und dank des Baukastensystems vielfältig konfigurierbar. Nun wurden Eigenschaften wie z. B. Linearität, Hysterese und Spannweite, die die Genauigkeit des Aufnehmers beeinflussen, optimiert. Das Ergebnis: Geringere Messunsicherheit für aussagekräftigere Testergebnisse, geringerer Ausschuss bei End-of-Line-Tests und geringere Investitionskosten für den Anwender.

Zur Fehlerbetrachtung von Messungen mit Kraftaufnehmern

Bei Messungen mit Kraftaufnehmern unterscheidet man zwei Fehlergruppen: Fehler, die unabhängig von der anliegenden Kraft ein bestimmtes Ausgangssignal erzeugen, und Fehler, deren Größe zu der im Moment der Betrachtung anliegenden Kraft proportional ist.

Der Temperatureinfluss auf den Nullpunkt 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 Ausgangssignal, so zeigt sich, dass der Einfluss des TK0 immer dann besonders groß ist, wenn nur ein kleiner Teil der Nennkraft genutzt wird. Der Betrag ist immer gleich, jedoch steigt aufgrund des kleinen Nutzsignals in dieser Situation der relative Anteil. Neben dem TK0 ist auch der Linearitätsfehler auf den Endwert bezogen.

Fehler, die relativ zum Istwert sind (Istwertbezogene Fehler) werden relativ zum aktuell anliegenden Signal berechnet. Hierunter fallen zum Beispiel die Temperaturabhängigkeit des Kennwertes (TKC), das Kriechen oder auch die Toleranz einer eventuell durchgeführten Kalibrierung.

Fehlerberechnung

Die Fehlerberechnung erfolgt nun nach folgendem Prinzip:

  • Auf  Basis der technischen Angaben des Herstellers wird jeder Einzelfehler berechnet. (TK0, Linearitätseinfluss, Hysterese, usw). Dabei muss beachtet werden, ob der Parameter sich auf den Endwert oder auf den zu betrachtenden Messwert bezieht, also ob er Endwert- oder Istwert-bezogen ist. Auch die Prozessparameter gilt es zu berücksichtigen.
  • Der Fehler ist nun mit einem statistischen Faktor zu belegen, der sich aus der Art der Verteilung ergibt. Da dieser Schritt die errechnete Messunsicherheit nur verringert, kann man zur Abschätzung darauf verzichten - es soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
  • Alle Einzelfehler werden nun quadriert, addiert und aus der Summe wird die Quadratwurzel berechnet.
  • Das Ergebnis ist mit einem Faktor zu belegen, der bestimmt mit welcher Wahrscheinlichkeit die errechnete Messunsicherheit erreicht wird.

Wie oben erklärt, sind endwertbezogene Einflussgrößen besonders wichtig. Allerdings ist es auch wichtig, den größten Einzelfehler im Blick zu behalten. Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist eine Verbesserung nur dann sinnvoll, wenn die größten Einflussgrößen gezielt optimiert werden. Die Verbesserung eines einzelnen Merkmals ist nicht sinnvoll. Ein guter Kraftaufnehmer weist möglichst gleichmäßig gute Eigenschaften auf.

Das Vorgehen erscheint auf den ersten Blick kompliziert, ist aber in der Praxis bewährt. Zu diesem Thema bietet HBM daher entsprechende Seminare an, wie z. B. „Kräfte richtig messen“ oder „Der praktische Weg zur Ermittlung von Messunsicherheiten“.

Welche Parameter des U10M Kraftaufnehmers wurden optimiert?

In Zuge der U10M-Verbesserungen wurden alle Kenndaten optimiert, die in der Praxis zu einer echten Verbesserung führen. Im Folgenden finden Sie eine Auflistung mit kurzen Erläuterungen.

Relative Spannweite

Die Relative Spannweite beschreibt die Wiederholgenauigkeit eines Sensors. Wie groß ist die Streuung der Messergebnisse, wenn ein Kraftaufnehmer mehrfach gleich belastet wird? Die relative Spannweite gibt hierüber Auskunft. Je kleiner dieser Wert, desto besser reproduziert der Sensor und desto zuverlässiger kann das Ergebnis seiner Kalibrierung in die Praxis übertragen werden.

Linearität

Die Linearität beschreibt die Abweichung des Messwertes von einer gedachten idealen geraden Kennlinie eines Sensors. Je kleiner die Linearität, desto genauer lassen sich Kräfte bestimmen, die zwischen den Kalibrierpunkten liegen.

Relative Umkehrspannung (Hysterese)

Wenn ein Sensor mit steigender Kraft bis zur Nennkraft belastet wird und nach diesem Prozess wieder entlastet wird, so wird man bei gleicher Kraft zwischen den beiden Messreihen einen kleinen Unterschied feststellen. Diese Differenz ist die relative Umkehrspanne (Hysterese) des Kraftaufnehmers. Bei dynamischen Messungen mit großem Kraftbereich ist die Umkehrspanne ein wesentlicher Einflussfaktor.

Kriechen

Durch die elastische Nachwirkung der Komponenten eines Kraftaufnehmers (Federkörpermaterial und Dehnungsmessstreifen) ergeben sich kleine Änderungen des Ausgangssignals bei einer konstanten Krafteinwirkung. Für viele Messaufgaben ist dies ohne große Bedeutung. Sollen jedoch langanhaltende Monitoringaufgaben erfüllt werden, ist ein kleiner Kriechwert von großer Bedeutung.

Temperaturkoeffizient des Nullpunktes (TK0)

TK0 ist eine wichtige technische Eigenschaft, in vielen Fällen die wichtigste. Der Wert sagt aus, wie groß die Änderung des Nullsignals eines Kraftaufnehmers ist, wenn sich die Temperatur ändert. Vor allem wenn kleine Kräfte gemessen werden sollen, ist diese Angabe von großer Bedeutung, da dieser Einfluss - unabhängig davon welche Kraft gemessen wird - immer groß ist. Der relative Einfluss steigt mit kleiner werdenden Messwerten.

Welche Verbesserungen wurden durch die Optimierung des U10M Kraftaufnehmers erreicht?

Alle oben beschriebenen Fehler standen auf dem Prüfstand und sind Einflussgrößen jeder Messunsicherheitsbetrachtung. Im Einzelnen:

Spannweite in unveränderter Einbaustellung (% vom Messwert)



Kriechen (% vom Messwert)



Linearität (% vom Endwert)



Hysterese (% vom Endwert)

Beim TK0 konnten die ohnehin schon sehr guten Werte von 150ppm/10K in vielen Applikationen mit einem Trick verbessert werden. Dazu ist zu prüfen, ob die Option „200 % Kalibrierung“ Anwendung finden kann. Hierbei wird ein U10M Kraftaufnehmer mit der doppelten Nennkraft kalibriert - also z.B. ein Aufnehmer mit einer Nennkraft von 50 kN mit 100 kN. Somit erhält man auch den doppelten Ausgangswert. Mit den nun eingeflossenen Verbesserungen und dieser Option konnte der TK0 auf 75 ppm/10K gesenkt werden. Die mechanischen Reserven des U10 lassen dies bedenkenlos zu.

Zwei Dinge müssen jedoch beachtet werden:

  • Der Eingangsbereich des Verstärkers muss geeignet sein. 5 mV/V sind notwendig, um die volle Kalibrierkraft zu nutzen (in unserem Beispiel oben 100kN). Sollen kleinere Kräfte gemessen werden, kann man entsprechend linear herunterrechnen.
  • Die zulässige Schwingbreite ist kleiner - d.h. bei dynamischen Lasten darf der Spitze-Spitze-Wert nur exakt der Kalibrierkraft entsprechen.

Die Vorteile in der Anwendung

Im Regelfall setzt man bei der Kraftmessung eine durch die Fragestellung gegebene Genauigkeit voraus. Die Genauigkeit der Kraftmessung hängt nicht nur von dem verwendeten Sensor, sondern auch von der zu messenden Kraft ab - bei kleinen Kräften steigt die Messunsicherheit. Hieraus ergibt sich umgekehrt: Wenn eine Genauigkeit definiert ist, steigt der Messbereich des Kraftsensors mit seiner Genauigkeit.

Die Vorteile der modernen Technologie für die Praxis:

  • Erweiterter Messbereich: Sie können mit Sensoren hoher Kapazität kleinere Kräfte mit einer vorgegebenen Genauigkeit bestimmen (Messungen im Teillastbereich)
  • Die Anforderungen an die Messtechnik steigen, da die Anforderungen an die Prüfungen zunehmen. Betrachtet man die Lebensdauer von Kraftaufnehmern, ist es sicherlich sinnvoll, auf Zukunftssicherheit zu setzen - mit zurzeit verfügbarer Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen.
  • Bauen Sie mehr Reserve ein. Je weiter Sie den unteren Bereich des Sensors nutzen können, desto konservativer können Sie Ihre Messkette auslegen. Besteht die Gefahr von Überlast, so wählen Sie einfach einen etwas größeren Sensor. Die Reserven in der Genauigkeit reichen im Allgemeinen immer noch, um Ihre Ziele zu erreichen.
  • Verringern Sie Ihren Ausschuss: 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 Soll-Bereiches abzüglich der Messtoleranz liegen (in den Diagrammen durch die Blau schraffierte Linie symbolisiert). Wie zu erkennen, steigt die Anzahl der tolerierbaren Teile an, wenn die Messgenauigkeit steigt (rechte Grafik). Anders ausgedrückt ist die Anzahl der zu verwerfenden Teile auch von der Messgenauigkeit der Kraftmesskette abhängig.
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