Wie stelle ich meine Elektronik richtig auf meinen Kraftaufnehmer ein?

Kraftaufnehmer- oder Kraftmessdosen unterscheiden sich von Wägezellen in einem wesentlichen Punkt: Während Wägezellen erst in die Waage eingebaut werden und daraufhin die Waage eingemessen wird, wird der Kraftaufnehmer nach der Produktion einer Kalibrierung unterzogen und das Ergebnis als Begleitpapier mit dem Sensor ausgeliefert.

Die Anforderung an den Kraftaufnehmer ist es also, die bei der Kalibrierung im Werk ermittelte Empfindlichkeit beim Einsatz in der Praxis zuverlässig beizubehalten. Dazu muss der Sensor richtig montiert werden, außerdem ist die korrekte Einstellung des Messverstärkers ein sehr wichtiger Schritt bei der Inbetriebnahme eines jeden Kraftsensors. Dieser Schritt, die sogenannte Justage, sorgt dafür, dass das Ausgangssignal der Kraftmessdose von Ihrem Messverstärkersystem oder Ihrer Software richtig interpretiert werden kann, und Sie so am Ende korrekte Messwerte erhalten.

Die Kennlinie eines Kraftaufnehmers

Mit dem Kraftaufnehmer erhält man das Ergebnis der Kalibriermessung bei der Produktion – bei HBM heißt dieses Dokument „Prüfprotokoll“. Hier findet man den so genannten Kennwert (Formelzeichen C) in der Einheit mV/V.

Was bedeutet der Kennwert (C)?

DMS-basierte Kraftaufnehmer sind passive Sensoren, die ein entsprechender Messverstärker mit einer Versorgungsspannung versorgt. Der Kennwert gibt an, wie groß sich das Ausgangssignal in der Einheit mV ändert, wenn die Versorgungsspannung des Messverstärkers für den Sensor genau 1 V beträgt und sich die angelegte Kraft von Null auf Nennkraft ändert.

Messverstärker speisen die Kraftaufnehmer nicht immer präzise mit 1 V, andere Speisespannungen, z.B. 2,5 V oder 5 V, werden in der Praxis sehr häufig verwendet. Dann erhöht sich das Ausgangssignal entsprechend. Eine Kraftmessdose, die 2 mV/V als Kennwert aufweist, gibt eine nutzbare Ausgangsspannung von 10 mV ab, wenn sie mit 5 V betrieben wird, und 5 mV wenn sie mit 2,5 V gespeist wird.

Damit die Angabe des Kennwertes unabhängig von der Speisespannung sowie die Angabe der Empfindlichkeit für alle Speisespannungen gleich ist, normiert man das Signal auf 1 V- daher die Einheit mV/V. Wenn Sie also Ihren HBK-Messverstärker konfigurieren, ist es unerheblich, welche Speisespannung verwendet wird, die Eingabe des Kennwertes bleibt identisch.

In der Praxis führt man ein Nullsetzen durch, bevor die Kalibriermessung beginnt, so dass der Messverstärker zunächst 0 mV/V anzeigt, bevor der Kraftaufnehmer belastet wird. Kalibriescheine und Prüfprotokolle weisen deshalb bei der Kraft Null immer 0 mV/V aus. Daraufhin wird stufenweise bis zur Nennkraft belastet und das Ausgangssignal gemessen. Der Kennwert ist die Differenz zwischen dem Ausgangssignal ohne Krafteinwirkung und dem Ausgangssignal, wenn die Nennkraft verwendet wird.

Beispiel

Abbildung 2 zeigt das Prüfprotokoll einer C15/50kN. Die Nennkraft dieses Kraftaufnehmers ist 50 kN. Die Messkette wurde vor der Messung zur Ermittlung des Kennwertes zunächst auf Null abgeglichen, deshalb ist das Ausgangssignal 0 mV/V, wenn keine Kraft eingeleitet wird.

Bei Belastung mit Nennkraft- also 50 kN - gibt der Sensor 4,1399 mV/V an den Messverstärker ab.

Wie oben beschrieben, ist in der Regel ist die Versorgungsspannung größer als 1 V – üblich sind 2,5 V, 5 V oder auch 10 V. Dann steigt auch die Ausgangsspannung des Kraftaufnehmers im Verhältnis. Die C15 in unserem Beispiel würde also bei Nennkraft (50 kN) und einer Speisespannung von 5 V eine Ausgangsspannung von 20,6695 mV zur Verfügung stellen.

Die Kennlinie eines Kraftsensors ist keine perfekte Gerade. Vielmehr gibt es eine kleine Abweichung von der idealen Geraden. Verschiedene Verstärker- und Softwarelösungen (z.B. HBKs QuantumX- oder PMX-Systeme für den Einsatz in der Produktion) erlauben eine Korrektur dieses Linearitätsfehlers.

Einstellung der Messverstärker

In der Praxis hat sich durchgesetzt, dass Messverstärker in Tests oder Produktionsumgebungen mit der so genannten Zweipunktskalierung eingestellt werden. Die Eingabe unterscheidet sich von Gerät zu Gerät, aber grundsätzlich wird folgende Information eingegeben:

0 N  entsprichtNullpunktswert mV/V
Nennkraft  entsprichtKennwert C in mV/V


Für unser Beispiel kann man dem Prüfprotokoll die folgenden Werte entnehmen:

0 N  entspricht0 mV/V
50 kN  entspricht4.1399 mV/V


Das Spannungsverhältnis, also die Normierung auf 1 V in Prüfprotokollen oder Kalibrierscheinen, erleichtert die Justage erheblich.

Kennlinieneinstellung bei aktiven Kraftaufnehmern

Kraftaufnehmer, die fest mit einem Verstärkermodul ausgerüstet sind, werden ebenfalls am Ende des Produktionsablaufes kalibriert. Wie bei den passiven Sensoren wird die Kennlinie festgestellt und in den Begleitpapieren dokumentiert.

Bei HBK sind solche Messketten als Ganzes kalibriert, d.h. es ist der Zusammenhang zwischen einwirkender Kraft und dem Spannungs- bzw. Stromausgangssignal dokumentiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Anpassung des Messverstärkers bereits erledigt ist. Das vereinfacht die Einrichtung und auch die Genauigkeit wird besser, wenn man statt einer Kalibrierung der Einzelkomponenten eine Messkettenkalibrierung durchführt.

Wie oben beschrieben hat sich in der Welt der dehnungsmessstreifenbasierten Aufnehmer die Zweipunktskalierung durchgesetzt. Kraftaufnehmer mit fest verbundenen Verstärkern werden allerdings an nachfolgende Datenerfassungssysteme und SPSen verschiedenster Art angeschlossen. Dabei ist die Zweipunktskalierung nicht immer für die Parametrierung der nachfolgenden Elektronik nutzbar.

Aus diesem Grund stellt HBK mehrere Arten von Kennwerten zur Verfügung, mittels deren sich die nachfolgende Elektronik einstellen lässt:

1.       Zweipunktskalierung, ganzzahlige Werte für die Kraft

In dieser Tabelle sind die Ergebnisse der Produktionskalibrierung angegeben, wobei ganzzahlige Kraftwerte verwendet werden. Diese Angabe entspricht der Angabe, wie sie auch bei reinen passiven Kraftaufnehmern üblich ist.

2.       Zweipunktskalierung, ganzzahlige Werte das Ausgangssignal (Strom oder Spannung)

Diese Tabelle beschreibt die gleiche Kennlinie, wie die Tabelle 1, jedoch werden hier ganzzahlige Werte für das Ausgangssignal angegeben, entsprechend sind die Kraftwerte nicht mehr ganzzahlig.

3.       Die Empfindlichkeit ist (wie in der Piezotechnik üblich) als Steigung angegeben.

Diesem Wert ist zu entnehmen, um wieviel Volt (oder mA) sich das Ausgangssignal ändert, wenn die Kraft sich um + 1 N ändert. Diese Angabe ist insbesondere hilfreich, wenn von piezoelektrischen Messsystemen auf DMS umgestellt wird, oder wenn die nachfolgende Elektronik es nicht erlaubt, mit der Zweipunktskalierung zu arbeiten.

Natürlich finden Sie auch wieder den Kennwert, also die Differenz zwischen dem Ausgangssignal bei der Kraft Null und der Nennkraft. Dieser ist unabhängig davon, ob Tabelle 1 oder 2 genutzt wird, um ihn zu berechnen. Beide Tabellen beschrieben die gleiche Kennlinie.

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