Messen mit Dehnungsmessstreifen: So vermeiden Sie unerwünschte Temperatureinflüsse auf Ihr Messergebnis

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, welche (unerwünschten) Temperatureffekte bei der Nutzung von Dehnungsmessstreifen auf das Messergebnis einwirken können. Außerdem finden Sie im Beitrag praktische Hilfestellungen, wie Sie diese Effekte minimieren oder ganz kompensieren können. Die wichtigsten Punkte sind am Ende des Artikels in einer Checkliste zusammengefasst.

Temperaturänderungen während einer Messung mit Dehnungsmessstreifen können immer wieder unerwünschte Auswirkungen auf das Messergebnis haben. Mit der „richtigen“ – also für die Anwendung passenden – Wahl des Dehnungsmessstreifens, dem Ausnutzen der Effekte der Wheatstonebücke bei einer Halb- oder Vollbrücke, aber auch rechnerischen Methoden stehen glücklicherweise verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die unerwünschten Temperatureinflüsse weitgehend zu kompensieren.

Überblick: Welche Größen sich temperaturbedingt ändern und was Sie dagegen tun können

Einflussgröße

Mögliche Kompensationsmaßnahme

Materialausdehnung Nutzung selbstkompensierender Dehnungsmessstreifen
Kabelwiderstand Einsatz von Mehrleitertechnik
Temperaturkoeffizient des k-Faktors Sehr gering, wird meist ignoriert. Rechnerische Kompensation bei gleichzeitiger Messung der Temperatur möglich.
Temperaturabhängigkeit E-Modul Wird meist vernachlässigt
 
Außerdem sind folgende Punkte relevant, die ebenfalls mit der Temperatur zusammenhängen können:

Einfluss

Mögliche Kompensationsmaßnahme

Eigenerwärmung des Dehnungsmessstreifens Einhalten der maximalen Speisespannung
Klima/Luftfeuchtigkeit Sorgfältige Abdeckung der Messstelle
Kriechen des Klebstoffes Einhaltung der Temperaturgrenzen der verwendeten Klebstoffe

Die Hauptfaktoren: Materialausdehnung und Kabeleffekte

Diese zwei Einflussgrößen sollten Sie ganz besonders beachten:

  • Die Materialausdehnung („scheinbare Dehnung“)
  • Einflüsse resultierend aus dem Widerstand des Messkabels.

Was tun bei Materialausdehnung („scheinbare Dehnung“)?

Materialien, an denen gemessen wird, dehnen sich bei zunehmender Temperatur aus. Diese Ausdehnung wird durch den Materialausdehnungskoeffizienten  α beschrieben. Der Wert ist abhängig vom Material, und liegt bei Stahl zum Beispiel bei ca. 11 ppm/K – die Ausdehnung beträgt also 11 µm/m bei einem Temperaturunterschied von plus/minus einem Grad Celsius.  Die durch Temperaturänderungen beeinflusste Materialausdehnung bewirkt letztendlich die Messung einer „scheinbaren“ Dehnung, also einer Dehnung ohne Last.

Volumenänderung

∆V = α •V0•∆ T

Die bestmögliche Gegenmaßnahme bildet hier die Verwendung selbstkompensierender Dehnungsmessstreifen. Diese sind in ihrem Temperaturverhalten so an ein bestimmtes Material angepasst, dass sie die scheinbare Dehnung (also die Temperaturausdehnung des Messkörpers) ausgleichen.

Was tun bei Widerstandsänderungen des Kabels?

Bei Verwendung einer Zwei-Leiter-Schaltung (siehe Grafik) addiert sich der Widerstand eines Messkabels zu dem des Dehnungsmessstreifens – und fließt somit in die Messung mit ein. Neben der daraus resultierenden Nullpunktverschiebung  und Reduktion des effektiven k-Faktors ist der Widerstand des Messkabels auch noch temperaturabhängig. Eine geeignete Gegenmaßnahme ist der Einsatz von Mehrleitertechnik, wie er weiter unten beschrieben wird.

Weitere Einflussgrößen für Temperatureffekte

Neben diesen beiden Hauptfaktoren gibt es weitere Einflussgrößen, bei denen Temperatureffekte zum Tragen kommen.

Diese Einflüsse sind in Summe aber eher zu vernachlässigen, und meist durch eine rechnerische Kompensation lösbar (siehe Erläuterung der Kompensationsmaßnahmen weiter unten).

Temperaturkoeffizient des k-Faktors

Der k-Faktor ist die wichtigste Eigenschaft des Dehnungsmessstreifens. Er beschreibt den Zusammenhang zwischen Dehnung und Widerstandsänderung. Der k-Faktor ist temperaturabhängig.  Mit typischen Temperaturkoeffizienten des k-Faktors von  0,01 %/K ist dessen verfälschender Einfluss auf das Messergebnis üblicherweise relativ klein und wird deshalb meistens ignoriert. Machbar ist jedoch auch eine rechnerische Kompensation (bei Messung der Temperatur).

Temperaturabhängigkeit des E-Moduls

Das E-Modul ist eine materialabhängige Eigenschaft des Messkörpers. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen der gemessenen Dehnung und der mechanischen Spannung. Das E-Modul ist temperaturabhängig. Ein typischer Wert für Stahl beträgt hier ca. -0,02%/K. In der experimentellen Spannungsanalyse wird der Einfluss des E-Moduls üblicherweise vernachlässigt. Bei hochpräzisen, kalibrierbaren Aufnehmern erfolgt die Kompensation mittels temperaturabhängigen Nickelelementen in der Brücke.

Eigenerwärmung des Dehnungsmessstreifens

Durch die Speisespannung erwärmt sich der Dehnungsmessstreifen gegenüber dem Messkörper. Je nach Wärmeleitfähigkeit des Messkörpers wird die Wärmeleistung mehr oder weniger an den Messkörper abgegeben. Bei schlecht wärmeleitenden Messkörpern kann es somit zu einem Temperaturunterschied zwischen Messkörper und Dehnungsmessstreifen kommen. Dies stört womöglich die Funktionsweise eines selbstkompensierenden Dehnungsmessstreifens. Beim Einhalten der maximalen Speisespannung ist dieser Effekt aber so gering, dass er vernachlässigt werden kann.

Klima, Luftfeuchtigkeit

Bei einem unzureichenden Schutz der Messstelle kann eine Drift des Nullpunktes abhängig von der Luftfeuchtigkeit auftreten. Hintergrund ist die Aufnahme von Wassermolekülen des Klebstoffes und Dehnungsmessstreifen-Trägermaterials (Hygroskopie). Gegenmaßnahme bildet hier die sorgfältige Abdeckung der Messstelle.

Kriechen des Klebstoffs

Mit zunehmender Temperatur werden Klebstoffe weich und können die Dehnung nicht mehr zu 100% übertragen. Damit sind sie vergleichbar mit einem sinkenden k-Faktor. Daher ist es wichtig, immer die Temperaturgrenzen des Klebstoffs einzuhalten und diesen entsprechend des Einsatzbereichs auszuwählen.

Kompensationsmaßnahmen

Verwendung selbstkompensierender Dehnungsmessstreifen

Selbstkompensierende Dehnungsmessstreifen werden speziell entwickelt, um das Temperaturverhalten bestimmter Materialien durch ihr eigenes zu kompensieren. Das bedeutet, dass sie der scheinbaren Dehnung (also der Temperaturausdehnung des Messkörpers) entgegenwirken. Der Dehnungsmessstreifen wird daher mit einer Temperaturanpassung passend zum Material des Messkörpers ausgewählt.

Temperaturanpassungen für gängige Materialien bei selbstkompensierenden Dehnungsmessstreifen:

Code

Material (Beispiele)

α (·10-6 / °K)

1 Ferritischer Stahl  10.8
3 Aluminium  23
5 Austenitischer Stahl  16
6  Quarzglas / Komposit  0.5
7  Titan / Grauguss  9.0
8  Kunststoff  65
9  Molybdän  5.4

Durch die materialangepasste Auswahl des Dehnungsmessstreifens wird der Löwenanteil der scheinbaren Dehnung kompensiert. Es bleibt aber ein Restfehler erhalten (nicht-linearer Anteil). Dieser Fehler wird bei der Produktion ermittelt und ist Bestandteil des Datenblattes (siehe Abbildung). Für weitergehende Berechnungen, z.B. bei größeren Temperaturänderungen, können Sie zudem eine rechnerische Kompensation durchführen (siehe weiter unten).

Darstellung der Fehlerkurve in einem typischen Datenblatt

Wheatstone-Brücke und Mehrleiterschaltung

Neben der Nutzung selbstkompensierender Dehnungsmessstreifen  gilt die Verschaltung zur Halb- und Vollbrücke, sowie der Einsatz der Drei- oder Vierleiterschaltung als weiteres, wichtiges Kompensationsverfahren, mit dem vor allem der Einfluss des Kabelwidersands minimiert oder sogar komplett aufgehoben werden kann.

Die Wheatstone-Brücke wandelt kleinste Widerstandsänderungen in eine messbare elektrische Spannung um. Die vier Widerstände können durch einen (Viertelbrücke), zwei (Halbbrücke) oder vier (Vollbrücke) Dehnungsmessstreifen ersetzt werden.

Da die einzelnen Zweige in der Wheatstone-Brücke mit unterschiedlichen Vorzeichen einfließen, besteht die Möglichkeit einer Kompensation.

Diesen Temperaturkompensationseffekt können wir am Beispiel eines Biegestabs zeigen: Die Biegefeder zeigt bei positiver Belastung eine Dehnung (+) auf der Oberseite und eine Stauchung (-) auf der Unterseite. Sind hier zwei Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone-Brücke verschaltet, ergibt dies das zweifache Signal. Sollte eine temperaturbedingte Dehnung auftreten, sehen beide Dehnungsmessstreifen diese mit gleichem Vorzeichen, so dass sich die Effekte in der Wheatstone-Brücke gegenseitig aufheben.

Gerade der Einfluss des Kabelwiderstandes kann durch eine Dreileiterschaltung (siehe Grafik) weitestgehend kompensiert werden. Hierfür werden die Zuleitungen durch eine zusätzliche dritte Leitung in unterschiedliche Zweige der Wheatstone-Brücke verschaltet. Da durch die Symmetrie des Aufbaus die beiden Kabel mit unterschiedlichem Vorzeichen in die Gleichung eingehen und sich so gegenseitig ausgleichen, werden die Kabelwiderstände durch die Dreileiterschaltung – außer im Fall unsymmetrischer Kabel und bei Temperaturgradienten – kompensiert.

Sämtliche Kabeleinflüsse werden sogar durch die von HBM patentierte Vierleiterschaltung kompensiert.

Rechnerische Kompensation

Die rechnerische Kompensation kann für den Restfehler bei selbstkompensierenden Dehnungsmessstreifen, für den Fehler eines nicht oder schlecht angepassten Dehnungsmessstreifens sowie für andere kleine Fehler (z.B. Temperaturabhängigkeit des k-Faktors) durchgeführt werden.

Hierzu wird die Temperatur parallel gemessen und die gemessene Dehnung durch einen online bzw. im Nachhinein berechneten entsprechenden Kanal korrigiert. Zu beachten sind dabei die Temperatur-Gradienten. Gegebenenfalls sind mehrere Messpunkte für die Temperatur vorzusehen. Für die rechnerische Kompensation bieten Software-Tools wie catman® von HBM auch entsprechende Funktionen.

Einsatz eines Trägerfrequenz-Messverstärkers

Nicht nur dem Sensor selbst, auch dem Messverstärker kommt in der Betrachtung von Temperatureinflüssen eine wichtige Rolle zu. Dies gilt vor allem bei Thermospannungen:

Durch thermoelektrischen Effekt entsteht an der Verbindung unterschiedlicher Materialien eine temperaturabhängige, elektrische Spannung. Genutzt wird dieser Effekt bei Thermoelementen. Dies zeigt aber auch Auswirkung auf ein Dehnungsmessstreifen-Messsystem (temperaturabhängige Nullpunktabweichung).

Weitgehend kompensiert werden können Thermospannungen jedoch durch den Einsatz eines Trägerfrequenz-Messverstärkers. Hier gibt es eine sinusförmige Speisespannung, so dass das Messsignal auf ein periodisches Signal aufmoduliert wird. Die Demodulation erfolgt digital nach einem Bandpassfilter, so dass die quasi-statischen Thermospannungen auf dem Weg zum Messverstärker herausgefiltert werden.

Temperaturgrenzen von Dehnungsmessstreifen und von Klebstoffen

Folien-Dehnungsmessstreifen sind durch die verwendeten Materialien in ihrem Temperaturbereich beschränkt. Das Maximum liegt bei ca. 300°C bis 400°C. Soll bei höheren Temperaturen gemessen werden, muss auf Hoch-Temperatur-Dehnungsmessstreifen zurückgegriffen werden, die nach anderen Prinzipien arbeiten.

Temperaturgrenzen von HBM-Dehnungsmessstreifen liegen bei:

  • Y-Serie: 200°C
  • M-Serie: 300°C
  • C-Serie: 250°C
  • G-Serie: 200°C
  • Vorverkabelte DMS: 150°C

Außerdem ist freilich auch noch die Temperaturgrenze des eingesetzten Klebstoffs zu beachten. Wird ein Klebstoff mit steigender Temperatur zu weich, wird die Dehnung nicht mehr zu 100 Prozent übertragen. Daher sind die Temperaturgrenzen der Klebstoffe einzuhalten. Bei den Klebstoffen unterscheiden wir zwischen kalt- und heißhärtenden Produkten: Je nachdem, ob zum Aushärten die Raumtemperatur ausreicht, oder ob ein Ofen notwendig ist. Die Temperaturgrenzen der von HBM angebotenen Klebstoffe sind:

Heißhärtend:

  • EP310S: 310°C
  • EP150: 150°C

Kalthärtend:

  • Z70: 120°C
  • X60: 80°C
  • X280: 280°C

Checkliste: Die wichtigsten Punkte zur Temperaturkompensation von Dehnungsmessstreifen

Je nach Einflussgröße stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, den Einfluss der Temperatureffekte auf das Messergebnis zu minimieren. Hier ist Ihre Checkliste für Messungen mit geringem Temperatureinfluss:

  • Verwenden Sie selbstkompensierende Dehnungsmessstreifen
  • Nutzen Sie eine Wheatstone-Brücke mit Drei-  oder Vierleiterschaltung
  • Nutzen Sie einen Trägerfrequenz-Messverstärker, um Fehler durch Thermospannung weitgehend zu unterdrücken
  • Für die rechnerische Kompensation: Führen Sie eine parallele Temperaturmessung durch
  • Beachten Sie die Temperaturgrenzen der Dehnungsmessstreifen und des Klebers.

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