Kraftsensoren gehören zum Inventar fast jeden Labors, das sich mit mechanischen Systemen beschäftigt. Auch in Materialprüfmaschinen und anderen Testmaschinen sind Kraftaufnehmer eingebaut und erfassen sowohl das Eingangssignal für die Steuerung als auch das Kraftsignal, das später zur Auswertung der Ergebnisse verwendet wird.

Zwei Prinzipien haben sich durchgesetzt:

DMS-Sensoren bestehen aus einem Federkörper, auf dem Dehnungsmessstreifen (DMS) installiert sind. Wird eine Kraft eingeleitet, kommt es zu einer Verformung, die von den DMS in eine Widerstandsänderung umgewandelt wird. Sehr oft kommen vier DMS zum Einsatz, die zu einer Brückenschaltung verdrahtet werden, über die die Widerstandsänderung in eine messbare elektrische Spannung umgewandelt wird. DMS-Sensoren müssen immer mit einer Versorgungsspannung (Speisespannung) beaufschlagt werden.

Piezoelektrische Sensoren sind auf Basis von Kristallen aufgebaut, die eine Ladung abgeben, wenn eine Kraft einwirkt. Dabei stehen Ladung und Kraft in einem linearen Verhältnis zueinander. Mit einer entsprechenden Elektronik wird die Ladung in ein Spannungssignal umgewandelt.

Kraftaufnehmer werden fast immer mit einem Dokument ausgeliefert, das über die Empfindlichkeit des Sensors Auskunft gibt. Der Sensor wurde in der Fabrik einer bekannten Kraft ausgesetzt und das Ausgangssignal bei dieser Krafteinwirkung gemessen. Das Ergebnis dieses ‚Kalibrierung‘ genannten Vorgangs wird im entsprechenden Dokument festgehalten. Je nach Qualität und Preis des Sensors sind darin der Ausgangswert bei maximaler Kraft oder mehrere Messwerte bei verschiedenen Kraftstufen angegeben. Die Kalibrierung ist einer der wichtigsten Arbeitsschritte bei der Produktion eines Sensors und bestimmt entscheidend die Wertigkeit des Kraftaufnehmers. Natürlich kann die spätere Messung niemals genauer sein als die Kalibrierung, mit der die Kennwerte des Sensors festgestellt wurden.

Um diese Kraft präzise zu erzeugen und somit die Voraussetzung für solche Kalibriermessungen zu schaffen, nutzen die Hersteller von Kraftaufnehmern entsprechende Belastungseinrichtungen. Bei HBM stehen Belastungsanlagen für Kräfte zwischen 10 N und 5 MN zur Verfügung.

Die Belastungseinrichtungen

An die Belastungsanlagen werden hohe Anforderungen gestellt. Die Maschinen bei HBM etwa weisen Genauigkeiten von bis zu 0,005 %, bezogen auf den jeweiligen Kraftwert, auf. Diese Angabe bezieht sich also nicht auf die maximale Kraft, die die Anlage erzeugen kann, sondern auf die aufgebrachte Kraft, egal welche Kraftstufe der Anlage genutzt wird. Bei einer Kraftstufe von 1000 N ist also eine Abweichung von 0,05 N zulässig, wenn die Anlage eine Genauigkeit von 0,005 % bietet.

Die Belastungseinrichtungen unterscheiden sich nach ihrem Wirkprinzip:

Kleinere Kräfte werden mithilfe von Gewichten erzeugt

Für kleinere Kräfte verwendet man sehr häufig Gewichte, deren Masse genau bekannt ist, und mittels deren die zu prüfenden Kraftsensoren belastet werden. Diese Anlagen werden Totlastanlagen genannt. Natürlich ist die Wirkung dieser Massen von der Erdbeschleunigung abhängig, die an dem jeweiligen Ort herrscht. Hinzu kommt noch der Auftrieb, den die Massen in der Atmosphäre erfahren. Diese Auftriebskraft ist von der Dichte der Massestücke und dem Luftdruck abhängig. HBM verfügt über eine Totlastanlage mit einer maximalen Prüfkraft von 240 kN, die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) kann sogar auf eine Totlastanlage mit einer Prüfkraft von 2 MN zurückgreifen.

Die Geometrie solcher Belastungsanlagen darf sich unter Belastung keinesfalls ändern, da sonst die Kraft nicht mehr gerade in den Sensor eingeleitet wird. Dies würde erhebliche Messfehler verursachen, auch wenn die Änderungen nicht direkt sichtbar sind. Die Massen bestehen aus chemisch sehr inerten Materialien. Trotzdem muss ausgeschlossen werden, dass es durch Reaktionen mit der Umwelt zu Veränderungen kommt (z.B. Oxydation). Regelmäßige Kontrollen stellen außerdem sicher, dass die Funktion der Anlage nicht etwa durch fehlerhafte Wartung oder mangelnde Sauberkeit (Staubablage auf den Massen) beeinträchtigt wird.

 

 

Kalibriermessung an der 25-kN-Maschine bei HBM

Für größere Kräfte kommt eine Hydraulikanlage zum Einsatz

Andere Belastungseinrichtungen erzeugen die Kraft auf hydraulischem Weg. Das bietet sich besonders dann an, wenn die Kraft sehr groß sein muss, da es sonst nötig wäre, riesige Massen vor Ort bereit zu halten. Hierbei ist ein sehr präziser Kraftaufnehmer zwischen den Prüfling und die Hydraulik geschaltet. Dieser Präzisionskraftaufnehmer stellt also die Referenz dar, mittels derer die auf den Prüfling einwirkende Kraft festgestellt wird. Es ist daher wichtig, regelmäßig zu überprüfen, ob der eingebaute Referenzsensor noch korrekt arbeitet.

Das Ur - Kilogramm

Alle Kraftanlagen referenzieren letztlich auf das Ur-Kilogramm, das in Paris im BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) gelagert ist. Von diesem Massestück existieren verschiedene Kopien. Alle Massen sind somit an ein Artefakt angeschlossen. Es ist daher eine anspruchsvolle technische Herausforderung, von der Masse von 1 kg auf einen Massestapel mit einem Gesamtgewicht von 200 t rückzuschließen.

Wie ist nun sichergestellt, dass diese Anlagen richtig messen und somit die Zuverlässigkeit der Kalibrierung immer gewährleistet ist?

Es ist wichtig, dass Messergebnisse vergleichbar sind: Nur so kann sichergestellt werden, dass ein Messergebnis, das an einem bestimmten Standort ermittelt wurde, auch an einem anderen Standort verwendet werden kann (im Rahmen der Messunsicherheit, mit der das Ergebnis ermittelt wurde). Das heißt, dass die Kalibrierung der Kraftsensoren überall gleich erfolgen muss. Zudem muss eine bestimmte Kraft auch im internationalen Vergleich stets gleich sein. Es ergibt sich daher die Forderung, dass alle Anlagen regelmäßig überprüft, d. h. mit einem Normal verglichen werden, von dessen Richtigkeit auszugehen ist.

Die Aufgabe, dafür Sorge zu tragen, dass eine bestimmte Kraft überall gleich und als Voraussetzung gegeben ist sowie diese Kraft überhaupt zu definieren, obliegt den nationalen Metrologie-Instituten. In Deutschland ist das die PTB. Diese Einrichtungen verfügen über die Belastungsanlagen, nach denen alle anderen referenziert werden.

Institute vergleichen sich auch untereinander

Um zu gewährleisten, dass auch international ein Newton immer ein Newton ist, vergleichen sich die Institute auch untereinander.

Man könnte nun die Referenzsensoren ausbauen und bei den nationalen Instituten in die genauen Belastungsanlagen einbauen, Massestapel demontieren, um sie dann mit den nationalen Normalen vergleichen zu lassen. Diesen Aufwand scheut man, da der Aus- und Einbau hochempfindlicher Messtechnik mit Unsicherheiten verbunden ist und der notwenige Transport Risiken birgt.

Deshalb verwendet man so genannte Transfernormale. Diese Kraftsensoren sind sehr speziell auf allerhöchste Wiederholgenauigkeit ausgelegt, auch wenn die Sensoren demontiert und wieder montiert werden. Wiederholpräzisionen unter 0,002 % sind möglich, so dass auch sehr präzise Belastungseinrichtungen an das nationale Normal angeschlossen werden können. Der Anschluss einer Belastungsanlage an das nationale Normal erfolgt nun durch Vergleichsmessungen zwischen der zu prüfenden Kalibrieranlage und dem nationalen Normal, in Deutschland z.B. bei der PTB. Auch internationale Vergleiche der nationalen Normale finden so auf höchstem Niveau statt.

Transfernormale von HBM. Die Sensoren weisen je nach Bauart Wiederholpräzisionen in verschiedenen Einbaustellungen zwischen 0,002 % und 0,05 % auf. Kraftstufen zwischen 2,5 N und 5 MN lassen sich mit diesen Transfernormalen an ein Normal anschließen.

Sensoren auf Basis von DMS-Technologie genügen hohen Ansprüchen

Kraftsensoren, die solch hohen Ansprüchen genügen, basieren auf der DMS-Technologie. Dafür gibt es zwei Gründe. DMS-Sensoren nutzen die Wheatstonesche Brückenschaltung. Durch geschickte Installation der DMS ist es möglich, sehr viele parasitäre Effekte, wie zum Beispiel Temperatur, eingeleitete Biegemomente oder Querkräfte weitgehend zu kompensieren. Außerdem sind DMS-Sensoren hervorragend für die in der Kalibrierung üblichen statischen Messungen geeignet, da sie   driftfrei und langzeitstabil sind.

Die Charakteristika solcher Sensoren werden nach einem internationalen Standard bewertet, der ISO 376. In diesem Standard ist die Fähigkeit der Sensoren zur Wiederholpräzision ein wichtiger Prüfpunkt. Darüber hinaus findet man Grenzen des Kriechens, der Hysterese und auch der Abweichung der Sensoren von ihrer angegebenen Kennlinie.

Zur besseren Orientierung werden die Kraftaufnehmer nach der ISO 376 in Genauigkeitsklassen eingeteilt. Die höchsten Anforderungen stellt die Klasse 00. Hierbei ist festgelegt, dass die Wiederholpräzision bei Montage und Demontage („in verschiedenen Einbaustellungen“) maximal 0,05 % zum gemessenen Wert betragen darf. Allerdings sind auch Sensoren der Klasse 00 nicht ausreichend, um genaue Belastungsanlagen an ein nationales Normal anzuschließen.

Top-Class-Sensoren werden nicht gebaut, sondern entdeckt

Aus diesem Grund stehen Sensoren der sogenannten „Top-Class“ zur Verfügung. Die Präzision, die solche Sensoren erreichen, lässt sich nicht ohne weiteres durch gezielte Produktion erreichen. Die Hersteller überprüfen vielmehr ihre laufende Produktion, um geeignete Exemplare zu finden. Diese durchlaufen dann umfangreiche Tests, bis die besondere Eignung garantiert werden kann.

Die hohen Anforderungen scheinen auf den ersten Blick vielleicht übertrieben, es muss jedoch bedacht werden, dass mit jeder Anschlussmessung Präzision verloren geht. So werden die Anlagen eines akkreditierten Kalibrierlabors zunächst an das nationale Normal angeschlossen. An diese Belastungsanlagen werden dann über Transfersensoren wieder die Anlagen auf der nächsten Ebene angeschlossen. Um die Kalibrierung der Sensoren im Feld nun mit befriedigender Genauigkeit durchzuführen, muss sichergestellt werden, dass jeder Anschluss mit möglichst hoher Genauigkeit erfolgt. Es ist ein genereller Trend zu höheren Genauigkeitsanforderungen an Kraftsensorik in Produktion und Test zu beobachten. Letztendlich führt dieser Trend zu auch in Zukunft steigenden Anforderungen an die Kalibrierung der Kraftaufnehmer.

 

 

Mehr Wissenswertes rund um die Kalibrierung :

Fachsprache

Unter „anschließen“ versteht man im Bereich der Kalibrierung den Vergleich mit einem höheren Normal. So werden die Kalibrieranlagen der Messtechnikhersteller durch Vergleichsmessungen an das nationale Normal der PTB angeschlossen.

Norm und Genauigkeitsklasse

Die ISO 376 stellt international den einschlägigen Standard dar, wenn es um die Kalibrierung von Referenzkraftsensoren geht. Dabei wird der zu prüfende Sensor dreimal in die Belastungsanlage ein- und ausgebaut, wobei der Sensor in der Anlage nach Ausbau um jeweils 120 Grad gedreht wird. Es folgt die Belastung mit mindestens acht Kraftstufen aufwärts und in zwei Einbaustellung auch abwärts. Dabei werden die Ergebnisse für jede Kraftstufe miteinander verglichen, so dass die „Wiederholpräzision in verschiedenen Einbaustellungen“ nach einer vorgegebenen Formel berechnet werden kann. Ferner wird die Wiederholgenauigkeit in einer Einbaustellung bestimmt, ebenso die Umkehrspanne (Unterschied der Messreihe mit aufsteigender Kraft zu der Messreihe mit absteigender Kraft bei einer bestimmten Kraftstufe), das Kriechen (zeitliche Veränderungen des Ausgangssignals bei konstanter Belastung) sowie die Interpolationsabweichung (Abweichung der realen Kennlinie des Sensors von der formelmäßig angegebenen Kennlinie). Außerdem wird die Präzision der Belastungsanlage, auf der die Kalibrierung stattgefunden hat, beachtet.

In einem Kalibrierschein nach ISO 376 werden all diese Parameter verrechnet, so dass die Messunsicherheit des Sensors bei den verschiedenen Kraftstufen ausgewiesen ist. Ferner gibt er gemäß Standard die Genauigkeitsklasse an, die in allen Merkmalen erreicht wird. Wird auch nur in einem Merkmal die Grenze einer Klasse überschritten, so ist der Sensor insgesamt der schlechteren Klasse zuzuordnen.

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