Kraftmessgerät

Kraftmessgeräte werden für eine Vielzahl von Messaufgaben genutzt. Welches Kraftmessgerät für Sie geeignet ist und was Sie bei der Auswahl berücksichtigen sollten, erläutern wir im Folgenden.

Auswahlkriterien für Kraftmessgeräte

Aus der Vielzahl der verfügbaren Kraftmessgeräte können Sie die Auswahl über folgende Kriterien eingrenzen:

1. Welche Kräfte soll das Kraftmessgerät erfassen?
2. In welchem Einsatzbereich wird das Kraftmessgerät verwendet?
2. Sind besondere Umgebungsbedingungen zu beachten?
3. Wie sollen die Messergebnisse angezeigt und weiterverarbeitet werden?
4. Welche Maximalkräfte wirken auf das Kraftmessgerät?
5. Welche Genauigkeit wird angestrebt?
Sollte ein Kraftmessgerät aus dem Standardprogramm Ihren Anforderungen nicht genügen, können auch individuelle Lösungen erarbeitet werden. Das betrifft sowohl die Bauform wie spezielle Softwarefunktionen.

Welche Kräfte soll das Kraftmessgerät erfassen?

In Abhängigkeit von der Messaufgabe muss ein Kraftmessgerät mit den passenden Sensoren zum Einsatz kommen. Die erste Frage die der Nutzer also beantworten muss, ist die Art der Krafteinleitung in das Kraftmessgerät. Die häufigsten Anwendungen sind:

- Kraftmessgerät für Zugkräfte
- Kraftmessgerät für Druckkräfte
- Kraftmessgerät für Zug- und Druckkräfte
- Kraftmessgerät für Drehmomente

Einsatzbereiche für Kraftmessgeräte

Kraftmessgeräte können unter anderem im Labor, während der Fertigung oder auch an eingebauten Produkten oder Bauteilen eingesetzt werden. Für Labormessungen können Kraftmessgeräte in stationären Kraftmessstände integriert werden, wodurch die Durchführung der Messungen erleichtert wird. Bei der Auswahl der Kraftmessgeräte und insbesondere der Kraftaufnahmeeinheit ist auf den zur Verfügung stehenden Platz zu achten.
Ein Kraftmessgerät besteht in der Regel aus dem Kraftsensor und der Anzeigeeinheit. Anders als bei einem mechanischen Kraftmessgerät können die beiden Komponenten bei einem digitalen Kraftmessgerät mit externem Sensor einfach getrennt werden. Es gibt Kraftmessgeräte bei denen für verschiedene Messaufgaben der Sensor – also die Kraftaufnahmeeinheit – einfach gewechselt werden kann. Die Bauform der Sensoren ist sehr vielfältig. Mit einigen Sensoren für Kraftmessgeräte können mehrere Kraftrichtungen erfasst werden wie z.B. Zug und Druck entlang einer Achse oder die zeitgleiche Messung mehrerer Kraftachsen.
Da das Gewicht eine Kraft ist, sind auch Waagen Kraftmessgeräte. Bei einigen Waagen können Sie die Anzeige in Newton auswählen, bei allen anderen kann man Kilogramm in Newton umrechnen.

Viele Kraftmessgeräte können mit speziellen Adaptern ausgestattet werden. Diese Adapter ermöglichen zum Beispiel das sichere Einhängen/Einspannen verschiedener Proben für Zugversuche oder das Messen von Druck auf definierte Oberflächen.
Grundsätzlich muss stets auf die Sicherheit beim Einsatz der Kraftmessgeräte geachtet werden. Gegebenenfalls sind spezielle Schutzabdeckungen vorzusehen oder die Messanordnung ist so zu ändern, dass keine Gefährdung auftritt.

Einfluss der Umgebungsbedingungen auf Kraftmessgeräte

Ein Kraftmessgerät kann je nach Messprinzip nur unter bestimmten Umgebungsbedingungen in Bezug auf Lufttemperatur, Luftfeuchte und Explosionsgefahr sicher und korrekt messen und anzeigen. Dabei gibt es große Unterschiede zwischen einem Kraftmessgerät, bei dem eine elektrische Eigenschaft ausgewertet wird und dem Kraftmessgerät mit einem mechanischen Wirkprinzip.

Anzeige und Verarbeitung der Messergebnisse im Kraftmessgerät


Kraftmessgeräte zeigen den aktuellen Messwert entweder analog mit Zeiger auf einer Skala oder digital als Zahlenwert auf einem elektronischen Display an. Auch einfache Kraftmessgeräte mit Zugfedern können die Maximalwerte einer Messreihe separat anzeigen.
Digitale Kraftmessgeräte haben aber eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten. Dazu gehört die Speicherung mehrerer Messwerte im Kraftmessgerät, die Auswertung der Messergebnisse über Statistikfunktionen, die Übergabe der Messwerte an eine PC-Software mit der die Werte tabellarisch und grafisch angezeigt und gespeichert werden können. Einige digitale Kraftmessgeräte haben eine Alarmfunktion die bei Unter- oder Überschreiten eingestellter Grenzwerte optische oder akustische Alarme ausgibt. Für die Prozesssteuerung können spezielle Kraftmessgeräte mit Schaltkontakten ausgestattet werden.
Für die grafische Darstellung der Messergebnisse ist auf die maximal möglichen Abtastrate der Kraftmessgeräte zu achten, also darauf, in welchem Zeitabstand Messwerte erfasst werden. Je häufiger der Wert abgefragt wird, desto genauer kann der Kurvenverlauf dargestellt werden.

Das Bild zeigt zwei Kraftmessgeräte mit unterschiedlichen Abtastraten. Das Kraftmessgerät mit den grün markierten Messwerten hat im Vergleich zu dem Kraftmessgerät mit den roten Markierungen eine 10-fach höhere Abtastrate.

Beim Vergleich der Kraftmessgeräte sollte auch beachtet werden, ob die Messdaten alle einzeln registriert und verarbeitet werden oder ob das Kraftmessgerät aus einer gewissen Anzahl dieser Messwerte einen Mittelwert bildet.

Welche Maximalkräfte wirken auf das Kraftmessgerät?

Kraftmessgeräte dürfen nur bis zu einer bestimmten Maximalkraft belastet werden. Wirken höhere Kräfte auf das Kraftmessgerät können keine verlässlichen Werte mehr angezeigt werden und ohne Überlastsicherung wird schließlich die Kraftaufnahmeeinheit zerstört. Die Maximalkraft steht außerdem in direktem Zusammenhang mit der erreichbaren Genauigkeit der Messungen.
Bei gleicher Bauart haben die Kraftmessgeräte mit geringer Maximalkraft die höchste Auflösung.

Welche Genauigkeit muss das Kraftmessgerät haben?

Je nach Einsatzzweck sind unterschiedliche Genauigkeiten erforderlich. Es ist darauf zu achten, dass Messgenauigkeit und Auflösung nicht identisch sind. Bei einem Kraftmessgerät mit sehr hoher Auflösung, kann die Genauigkeit ein Vielfaches der Auflösung betragen.

Messprinzipien für Kraftmessgeräte

Mechanische Kraftmessgeräte mit Federkraft

Ein einfaches und kostengünstiges Kraftmessgerät bis zu einem Messbereich von 500N (50 kg) ist das Federdynamometer. Dieses Kraftmessgerät ist auch als Federwaage bekannt und wird noch immer in Industrie, Forschung, Bildungs- und im Gesundheitswesen eingesetzt. Bei der Messung wird die im Kraftmessgerät eingebaute Feder, gestaucht oder gezogen. Die definierte Feder kann nur unter der Wirkung entsprechender Kräfte einen definierten Weg zurücklegen. Diesen Weg zeigt das Kraftmessgerät dem Nutzer umgerechnet in Newton an.

Mechanische Kraftmessgeräte mit Hydraulikflüssigkeit

Andere mechanische Kraftmessgeräte können mithilfe einer Hydraulikflüssigkeit die wirkenden Kräfte messen und darstellen. Hydraulische Kraftsensoren können je nach Bauart Kräfte von wenigen Newton bis zu vielen Kilonewton erfassen. Ein hydraulisches Kraftmessgerät nutzt eine Kolben-Gehäuse-Kombination als Kraftaufnahmeeinheit. Zur Kraftanzeige werden Manometer, Druckmessumformer oder Druckmessgeräte mit Kontakteinrichtung eingesetzt. Hydraulische Kraftmessgeräte sind robust und benötigen keine Hilfsenergie.

Kraftmessgeräte mit Dehnmesstreifen (DMS)

Beim Kraftmessgerät mit Dehnungsmessstreifen wird die Änderung des elektrischen Widerstands bei der Längenänderung von Drähten zur Kraftmessung genutzt. Stauchung verringert, Dehnung erhöht den elektrischen Widerstand. Ein mäanderförmig verlaufender Widerstandsdraht ist auf einem Folienstreifen aufgeschweißt und mit dem eigentlichen Verformungskörper, in den die Kraft eingeleitet wird, verklebt. Kreuzverschaltungen der Widerstände verbessern das Ausgabesignal und die Messpräzision. Kraftmessgeräte mit Dehnmessstreifen gibt es in vielen geometrischen Formen.

Kraftmessgeräte mit Schwingsaitenprinzip

Treibriemen von Maschinen oder gespannte Saiten von Musikinstrumenten schwingen je nach aufgebrachter Spannkraft unterschiedlich. Die Periodendauer dieser Schwingung kann durch optische Frequenzmessung ermittelt werden. Kraftmessgeräte zur Ermittlung der Riemenspannung werden auch Trummeter genannt.

Kraftmessgeräte mit elektromagnetischer Kompensation

Bei einem Kraftmessgerät mit elektromagnetischer Kompensation befindet sich eine bewegliche Spule in einem Magnetfeld. Der durch die Spule fließende Strom ist proportional zur Kraft die auf die Spule wirkt. Dieses Prinzip wird zum Beispiel bei Präzisionswaagen eingesetzt.

Kraftmessgeräte mit piezoelektrischen Elementen
Bei Krafteinwirkung wird in piezokeramischen Elementen eine Ladung erzeugt, die proportional zur Kraft ist. Weil diese Ladung abfließt, eignet sich dieses Prinzip vor allem für dynamische Kräfte. Auch hochdynamische Kräfte bis 100Hz können mit solch einem Messgerät erfasst werden. Durch versetzte Anordnung mehrerer Scheiben sind auch mehrachsige Kraftmessungen möglich.