Trends in der Kraftmesstechnik

Der Fortschritt in der gegenwärtigen Prüfstandstechnik spielt sich nicht nur bei den dort eingesetzten Messverstärker- und Softwaresystemen ab. Auch die Sensorik muss bei großen Trends – wie dem Bedarf nach verringerten Rüstzeiten, einer höheren Flexibilität bei Tests und auch in der Test-Automatisierung – ihren „Innovationsbeitrag“ leisten.

Hier zeigen wir Ihnen am Beispiel der Messgröße Kraft, wie veränderte Anforderungen im Prüffeld und Prüfstand von der neuesten Generation DMS-basierter Aufnehmer erfüllt werden können.

Die Entwicklung der Kraftaufnehmer in den letzten Jahren hat präzisere Sensoren hervorgebracht,die gleichzeitig robust, anwenderfreundlich, leicht konfigurierbar und wirtschaftlich in der Anschaffung sind.

Die 4 großen Trends im Überblick

Mehr Genauigkeit

Extreme Einsatzbedingungen

Maximale Flexibilität

Messen großer Kräfte

Innovations-Trend 1: Mehr Genauigkeit

Ein Mehr an Genauigkeit rentiert sich sofort im Prüfstand – und zwar durch die Erweiterung des möglichen Messbereichs.

Die Genauigkeit der Sensoren ist von hohem wirtschaftlichem Interesse. Der Grund dafür ist, dass sich der nutzbare Messbereich, also der Einsatzbereich der Sensoren bei einer gegebenen Genauigkeitsforderung, mit verbesserter Sensorgenauigkeit erweitert.

Der Zusammenhang ist im Bild veranschaulicht: Grundlage ist der Sensor S2M, ein Industriekraftaufnehmer, der in hohen Stückzahlen gefertigt wird. Der Vergleich erfolgt mit dem Vorgängermodell, dem S2. Mit dem nach neuestem Stand der Technik aufgebauten S2M lässt sich bei gegebenem Messunsicherheitsbudget ein wesentlich weiterer Messbereich erreichen. Rechengrundlage in unserem Beispiel ist eine Kraftmessung im Teillastbereich beider Sensoren. Messzeit ist 30 min, die Temperaturänderung während der Messung wurde mit 20 Kelvin angenommen. Der Messbereich des Sensors ist 500 N. Folgende Einflussgrößen wurden beachtet: Linearität, Temperaturkoeffizienten von Nullpunkt und Kennwert, Hysterese und Kriechen.

Folglich kann ein Sensor mit einem Messbereich von 500 N eingesetzt werden, um Kräfte um die 20 N präzise zu bestimmen. Sie können diesen Vorteil in zwei Richtungen nutzen: 

  • Um die Überlastfähigkeit Ihrer Messkette zu verbessern, können Sie einen Sensor mit größerer Nennkraft verwenden. Die Messkette gewinnt an Robustheit. Bei Verwendung moderner Sensoren ist die Unsicherheit sehr gering.
  • Sie setzen die Sensoren in einem größeren Messbereich ein und reduzieren so die Vielfalt von eingesetzten Modellen.

Innovations-Trend 2: Bereit für extreme Umweltbedingungen

Für die meisten Messgrößen stehen mittlerweile hermetisch dicht verschweißte Kraftaufnehmer zur Verfügung. Herausforderungen bestehen noch bei sehr kleinen Kräften bis 500 N. 

Immer häufiger wird der Einsatz von Produkten in extremen Umweltbedingungen simuliert. Nicht nur ein ultra-robustes Messverstärkersystem ist hier von Vorteil – sondern natürlich auch Sensoren, die in dieser Liga mitspielen!

Inzwischen stehen hermetisch dicht verschweißte Sensoren zur Verfügung, die die hohen Anforderungen an die Robustheit erfüllen. Die hohe Schutzart IP68 ist durch einen Tauchtest über 100 Stunden in drei Meter Wassersäule nachgewiesen und als Serienstandard erhältlich. 

Moderne Edelstähle bewähren sich sowohl durch Korrosionsfestigkeit als auch durch Federeigenschaften. Hersteller wie HBM garantieren so die Verfügbarkeit der Kombination aus Edelstahl, IP68, hermetisch dicht verschweißtem Sensorgehäuse und der Genauigkeitsklasse 0,02*.
*Genauigkeitsklassen gemäß HBM-Standards liegen in ihren Anforderungen deutlich über allgemeinen Marktstandards.  

Was tun bei kleinen Kräften?

Bei sehr kleinen Kräften bis 500 N ist die Verwendung von Stahl als Federkörpermaterial diffizil. Der geringere E-Modul von Aluminium ist hier von Vorteil. Allerdings muss dabei auf einen Schutz der Dehnungsmessstreifen durch Silikon zurückgegriffen werden. Eine Verbesserung der Feuchteempfindlichkeit muss aus diesem Grund über die Konstruktion der Dehnungsmessstreifen erreicht werden. Polyetheretherketon (PEEK) als DMS-Trägermaterial nimmt beispielsweise nur in sehr geringem Maße Feuchtigkeit auf und erweist sich daher als sehr günstig. Die Beeinflussung solcher Kraftaufnehmer durch Feuchteschwankungen ist für sehr viele Anwendungsfälle ausreichend, auch wenn die Unempfindlichkeit komplett gekapselter Sensoren nicht erreicht wird.

Bei sehr kleinen Kräften bis 500 N ist die Verwendung von Stahl als Federkörpermaterial diffizil. Der geringere E-Modul von Aluminium ist hier von Vorteil. Allerdings muss dabei auf einen Schutz der Dehnungsmessstreifen durch Silikon zurückgegriffen werden. Eine Verbesserung der Feuchteempfindlichkeit muss aus diesem Grund über die Konstruktion der Dehnungsmessstreifen erreicht werden. Polyetheretherketon (PEEK) als DMS-Trägermaterial nimmt beispielsweise nur in sehr geringem Maße Feuchtigkeit auf und erweist sich daher als sehr günstig. Die Beeinflussung solcher Kraftaufnehmer durch Feuchteschwankungen ist für sehr viele Anwendungsfälle ausreichend, auch wenn die Unempfindlichkeit komplett gekapselter Sensoren nicht erreicht wird.

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Innovations-Trend 3: Flexibilität

Moderne Kraftaufnehmer werden mittlerweile genau auf die Anforderungen des Kunden hin fast fertig für den Einbau geliefert. 

Die Ansprüche an die Flexibilität des Sensors steigen erheblich. Um Rüstzeiten weiter verkürzen zu können, erwarten Prüfstandstechniker verschiedenste Krafteinleitungen, Kalibrierungen, Kabellängen oder bereits ab Werk verfügbare fest montierte Stecker.

Moderne Kraftaufnehmer antworten auf diese Herausforderung mit einem modularen Konzept. Mittlerweile ist fast jeder Kraftaufnehmer von HBM auch individuell konfigurierbar verfügbar - mit zahlreichen Optionen zu Steckern und Kabeln. In Summe ergibt dies für einen Kraftaufnehmer vom Typ C10 insgesamt 2304 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten in seiner Konfiguration!

In den letzten Jahren ist auch der Bedarf an TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) stark angestiegen. TEDS bedeutet: Ein eigentlich passiver Sensor enthält einen kleinen Speicherchip, aus dem die Sensordaten ausgelesen werden können. Entsprechende Verstärker vorausgesetzt, entfällt mit dieser Technologie das Parametrieren der Messkanäle und die Fehleranfälligkeit sinkt.

Verfügbar in 2304 Kombinationen: Der Kraftaufnehmer C10

2304

Zahl der Kombinationsmöglichkeiten, in denen ein C10-Kraftaufnehmer konfiguriert werden kann: 

  • Doppelbrücke / Einfachbrücke
  • Ausgangsspannung 4 mV/V oder 2 mV/V
  • TEDS 
  • Kalibrierung 100 % oder 50 %
  • Mit oder ohne Ladungsbasis
  • Steckerschutz
  • Stecker, integrierte Kabel
  • IP68-Option 

Innovations-Trend 4: Große Kräfte

Build-Up-Systeme: Vom Kleinen aufs große Ganze schließen. 

Da technische Geräte oft immer größer werden, gibt es neben den Serienprodukten bis 5 MN (bei HBM) inzwischen Sonderlösungen bis zu 20 MN. Dies gilt zum Beispiel für Schiffe ebenso wie für Windkraftanlagen. Beispielsweise entstehen im Betrieb von Schiffen oder Windkraftanlagen größere Kräfte, die im Versuch nachgewiesen werden müssen.

Natürlich ist es immer erforderlich die im Feld verwendeten Kraftsensoren auch zu kalibrieren. Die Kalibriermöglichkeiten für große Kräfte sind eingeschränkt.

Grundsätzlich werden für die Kalibrierung solch großer Kräfte eine Kraftquelle (z.B. ein hydraulischer Zylinder) und eine Referenzkraftmesseinrictung verwendet. Dabei hängt die Genauigkeit der Kalibrierung von der Präzision des Referenzkraftaufnehmers ab.

Deshalb hat HBM so genannte Build-Up-Systeme mit drei zusammengeschalteten Kraftaufnehmern entwickelt. Solche Systeme werden in der Kalibrierung, aber auch in zahlreichen Forschungsprojekten eingesetzt. Ziel ist es, von den Eigenschaften kleiner einzelner Sensoren auf das Verhalten des gesamten Systems schließen zu können.

So könnte man drei Sensoren mit kleinerer Nennkraft sehr genau messen, um dann ein System zu entwickeln, das die dreifache Nennkraft aufweist.  

Da letztendlich der Einsatz von Kraftmesstechnik in Prüfaufgaben mit ausreichend präziser Kalibrierung ermöglicht wird, werden diese Forschungen von der EU gefördert. Die Nennkraft der bisher gelieferten Systeme liegt zwischen 60 kN und 10 MN.

Aufbau eines Build-Up-Systems von HBM. Gut erkennbar die drei einzelnen Kraftaufnehmer, die mechanisch parallel angeordnet sind.

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