Kraftmesszelle / Kraftaufnehmer

Als Kraftmesszelle oder Kraftaufnehmer werden diejenigen Bauelemente in Vorrichtungen oder Geräten zur Kraftmessung bezeichnet, die die aufgebrachten Kräfte in auswertbare physikalische Größen umwandeln. Je nach Messprinzip kann diese auswertbare Größe zum Beispiel eine Distanz oder eine elektrische Größe sein. Wichtig ist, dass deren Betrag von der Höhe der einwirkenden Kraft abhängig ist. Wegen der unterschiedlichen Bedingungen der Anwendungsfälle gibt es eine Vielzahl verschiedener Kraftaufnehmer. Um die für das jeweilige Einsatzgebiet am besten geeignete Kraftmesszelle zu finden, müssen verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. 

Die Kraftrichtung und die Einwirkdauer der Kraft sind ausschlaggebend dafür, welcher Typ Kraftmesszelle sich für die vorgesehenen Messungen eignet. 

Deshalb sollten zuerst folgende Punkte geklärt werden:

>   Nur statische oder auch dynamische Kräfte?

>   Nur Zugkräfte?

>   Nur Druckkräfte?

>   Zug- und Druckkräfte?

>   Torsionskräfte und Drehmomente?

Jeder Kraftaufnehmer wird für eine festgelegte Maximalkraft ausgelegt. Höhere Belastungen sollten vermieden werden, da für diese die angegebene Messgenauigkeit nicht garantiert ist. Zum anderen kann eine empfindliche Kraftmesszelle bereits dadurch zerstört werden, dass die Maximallast um wenige Prozent überschritten wird. Einige Kraftaufnehmer sind deshalb mit Überlastsicherungen ausgestattet, die Zerstörung durch Überlastung komplett oder zumindest bis zu einer bestimmten Höhe der Kraft verhindern. Für diese Modelle werden zusätzlich zur Nennlast auch die Grenzlast und die Bruchkraft angegeben. 

Die Messgenauigkeit einer Kraftmesszelle ist abhängig von der Wirkungsweise und von der Bauart. Generell gilt, dass Kraftaufnehmer mit hoher Messgenauigkeit meist auch hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingung haben. Störungen können beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder elektromagnetische Felder verursacht werden. Messgenauigkeit und Anzeigeauflösung sind nicht immer identisch. Beide Werte sollten unbedingt bei der Auswahl der Kraftaufnehmer und bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt werden.

Zu den bekanntesten Bauformen der Kraftmesszelle gehören die Druckmessdosen und die S-förmigen Kraftaufnehmer für Druck- und Zugkraftmessungen. Neben diesen Modellen gibt es die Kraftmesszelle auch in Ringform, als Block, als Balken oder als Stab. Für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen sind alle diese Formen auch in Miniaturausführung verfügbar. Viele Kraftaufnehmer geben die Messdaten über ein Kabel als elektronischen Wert weiter. Um die Daten der Kraftmesszelle auswerten zu können, muss das freie Ende des Kabels an eine passende Anzeige- oder Speichereinheit angeschlossen werden. Spezielle Bohrungen, Vertiefungen oder Erhebungen vereinfachen das Fixieren der Kraftaufnehmer am Messort und den Anschluss von Adaptern für die vorgesehenen Messungen.

Luftfeuchte, Temperatur, Fremdkörper, elektrische oder magnetische Aufladung - die Umgebungsbedingungen können die Zuverlässigkeit der Kraftmesszelle beeinflussen. Insbesondere die Kraftaufnehmer, bei denen die Kraft über elektrische Größen bestimmt wird, reagieren empfindlich bei Schwankungen des Klimas oder der elektromagnetischen Felder in der Umgebung. 

Wenn eine Spiralfeder in Achsrichtung gezogen oder gedrückt wird, ist innerhalb eines bestimmten Messbereichs die Längenänderung proportional zur aufgewendeten Kraft. Die zurückgelegte Strecke kann auf einer Skala sofort als Kraft abgelesen werden. Zusätzlich zu dem Zeiger, der die aktuelle Belastung zeigt, kann ein Schleppzeiger den Maximalwert anzeigen. Während der Zeiger für den aktuellen Wert bei Entlastung wieder mit zurückschwingt, verbleibt der Schleppzeiger in der Maximalposition.

Die hydraulischen Kraftaufnehmer haben oft die Form einer Kraftmessdose. Bei diesen wirkt die Kraft meist auf einen etwas hervorstehenden Kolben, der dadurch in den mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zylinder gedrückt wird. Die Flüssigkeit weicht aus und breitet sich in der vorgegebenen Richtung aus. Die dadurch bewirkte Bewegung kann als Messwert von einer Skalenscheibe oder einer Digitalanzeige abgelesen werden. Eine hydraulische Kraftmesszelle wird in der Regel nur für Druckmessungen verwendet. Sie ist robust und benötigt für die Messung keine Hilfsenergie. 

Eine Kraftmesszelle mit Dehnmessstreifen nutzt die elastische Verformbarkeit von Metallen. Dazu werden auf einen robusten Federkörper dünne Drähte aufgebracht. Der elektrische Widerstand dieser Drähte steigt dort, wo sie gedehnt werden und sinkt an Stellen, an denen sie gestaucht werden. Der Einsatz mehrerer über Kreuz verschalteter Widerstände ermöglicht die Kompensation von Temperaturänderungen, Querkräften und Biegemomenten. Kraftaufnehmer mit Dehnmessstreifen können preiswert für sehr viele Anwendungsbereiche produziert werden. 

Mit einer Kraftmesszelle, die über elektromagnetischer Kompensation funktioniert, können sehr kleine Kräfte präzise gemessen werden. In der Messzelle wird dazu eine stromführende Spule in einem Magnetfeld positioniert. Wenn eine Kraft auf die Spule wirkt, wird der Strom in der Spule so angepasst, dass die Spule vom Magnetfeld in der Ursprungslage gehalten werden kann. Die Höhe des dazu benötigten Stroms ist proportional zur Höhe der einwirkenden Kraft und kann relativ einfach gemessen werden.

Piezoelektrische Kristalle werden bei Belastung kurzfristig elektrisch aufgeladen. Da diese Aufladung proportional zur Kraft ist, kann die Kraft über die Ladung bestimmt werden. An die Sensoren, die meist aus Quarzkristallen gefertigt sind, wird ein Ladungsverstärker angeschlossen. Der verstärkt das gemessene Signal, wandelt es und gibt es an Anzeigen, Schnittstellen oder Speichermedien weiter.  Das piezoelektrische Messprinzip ist vor allem für detaillierte Dauermessungen, die Messung schneller Lastwechsel und bei kurzzeitigen Belastungsspitzen geeignet. Dynamische Belastungen mit Frequenzen bis 100 Hertz können mit einer piezoelektrischen Kraftmesszelle problemlos erfasst werden. Auch mehrachsige Messungen sind möglich. Dazu werden Kraftsensoren mit mehreren, entsprechend der Messachsen ausgerichteten Messkristallen verwendet.