Kraftmessgerät

Eine Kraft ist in der Regel nur dann sichtbar, wenn sie Veränderungen bewirkt. Wir sehen dann also nicht die Kraft, sondern deren Wirkung. Diese Wirkung ist aber nicht nur von der Höhe und der Richtung der Kraft abhängig, sondern auch von den Einflüssen, die der Kraft entgegenwirken. Damit Kräfte objektiv ermittelt und verglichen werden können, wurden verschiedene Verfahren und Geräte zur Kraftmessung entwickelt. Bei einem Kraftmessgerät mit analoger Anzeige wird durch die zu messende Kraft meist ein Zeiger entlang einer Skala bewegt. Ein Kraftmessgerät mit digitaler Anzeige zeigt die ermittelten Messwerte als Grafik oder Zahlenwert auf einem elektronischen Display an. Viele dieser Geräte können die in elektronischer Form vorliegenden Messdaten auch speichern oder über Schnittstellen direkt an Computer oder an andere Geräte übertragen.

Die international gebräuchliche Einheit für die Kraft ist Newton. Sie gilt auch für die durch die Erdanziehung bewirkte Gewichtskraft. Im Alltag, in der Medizin und auch bei Belastungsangaben wird der Begriff Gewicht aber meist mit Angaben in der Einheit Kilogramm verwendet und auch andere Kräfte werden in Kilogramm angegeben. Deshalb gibt es beim Kraftmessgerät viele Modelle, die die Messwerte in Gramm oder Kilogramm anzeigen. Im angloamerikanischen Sprachraum wird der Kraftbezug durch ein angehängtes f für force (Kraft) erkennbar, dort heißt es dann nicht kg sondern kgf. Eine Kraft von einem Kilogramm (kg oder kgf) entspricht dabei etwa 10 (9,81) Newton und ein Newton damit etwa 100 (102) Gramm. Der Messbereich, die Anzeigeschritte und die Messgenauigkeit sind abhängig vom Messprinzip und dem eingesetzten Kraftaufnehmer. Ein digitales Kraftmessgerät einer bestimmten Modellreihe kann beispielsweise von 0,000 bis 5,000 Newton mit einer Auflösung von 0,001 Newton messen und ein anderes Kraftmessgerät der gleichen Modellreihe bis 100.000 Newton mit einer Auflösung von 10 Newton.

Ein Kraftmessgerät kann durch zu hohe Kräfte, aber auch durch Fehlbelastung mit falschem Kraftangriffspunkt, falscher Kraftrichtung oder durch nicht berücksichtigte zusätzliche dynamische Lasten zerstört werden. Größe und Richtung der Kräfte und ob diese sicher durch das Messgerät aufgenommen und ausgewertet werden können spielen also eine wichtige Rolle bei der Geräteauswahl. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass viele der Geräte nur bei Einhaltung bestimmter Betriebsbedingungen zuverlässig funktionieren. Für einige Anwendungen gibt es eine große Auswahl unterschiedlicher Gerätetypen, für andere kommen hingegen nur wenige Gerätevarianten in Frage oder es müssen spezielle Anpassungen oder Sonderlösungen für den Einzelfall entwickelt werden.

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.

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.

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.

Kraftmessgerät zur Prüfung von Tür- und Torkräften
Trotz bekannter Negativbeispiele und Aktualisierung der Unfallverhütungsvorschriften gibt es noch immer Unfällen mit Personenschaden an ungenügend abgesicherten Türen und Toren. Dies betrifft vor allem kraftbetätigte Türen und Tore und dabei sowohl Karusselltüren, Drehtüren und -tore, Schiebetüren und –tore, als auch alle Arten von vertikal schließenden Toren wie Kipp-, Sektional- und Rolltore.

Für alle kraftbetätigten Türen und Tore, die nicht durch Totmannsteuerung, an der Schließkante angebrachte Schaltleisten oder berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen wie Lichtschranken vollständig abgesichert sind, müssen die Schließkräfte begrenzt werden. Dies wird durch geschulte Sachkundige mit einem geeigneten Kraftmessgerät überprüft. In DIN EN 16005 und DIN EN 12453 sind die Messbedingungen und die Grenzen für die Höhe der statischen und dynamischen Kräfte und deren Einwirkungsdauer definiert. Ein zur Prüfung der Schließkräfte eingesetztes Kraftmessgerät muss also nicht nur die maximale Höhe sondern auch den zeitlichen Verlauf der wirkenden Kraft erfassen können.

Zu den in DIN EN 18650 Teil 1 Absatz 6.2.2 festgelegten Anforderungen an das Kraftmessgerät gehören unter anderem:

- Die Krafteinleitung muss über eine runde Messfläche erfolgen die eine Steifigkeit von 500 N/mm² aufweist.
- Die Messfrequenz muss über 5 Sekunden mindestens 200 Hertz betragen.
- Es müssen Kräfte von 25 N bis 2.000 N erfasst werden können.
- Die Messgenauigkeit muss mindestens ± 5 Prozent bezogen auf den Messbereich betragen.

Neben der Sicherheit spielt die Bedienbarkeit der Türen im alltäglichen Gebrauch eine wichtige Rolle. Moderne Türen, die spezielle Anforderungen an Schall-, Wärme- und Brandschutz erfüllen, sollen trotz dieser Funktionen leicht zu öffnen und zu schließen sein. Insbesondere bei Bauten für die Öffentlichkeit und bei solchen, die für einen Nutzerkreis mit körperlichen Einschränkungen vorgesehen sind, ist darauf zu achten, dass auch die Bedienkräfte der Türen den Normen für barrierefreie Gebäude entsprechen.

Kraftmessgerät zur Prüfung von Drähten und Seilen
Drähte sind lange dünne metallische Stäbe mit gleichbleibendem meist runden Querschnitt während Seile aus mehreren miteinander verdrillten Natur- oder Kunstfaserschnüren oder Drähten bestehen. Drähte und Seile übernehmen in vielen Bereichen wichtige tragende oder übertragende Funktionen. Dabei gibt es sowohl Einsatzgebiete mit starren als auch mit planmäßig bewegten Drähten oder Seilen. Ob an Hochspannungsleitungen oder Bahnoberleitungen, an Gebäuden, Brücken, Seilbahnen, Aufzügen, Kranen oder anderen Maschinen, durch Prüfungen vor und nach dem Einbau soll gewährleistet werden, dass Drähte und Seile ihre Funktionen sicher erfüllen können. Neue Seile werden vor dem Einbau mit einer Zugprüfmaschine oder mit einem geeigneten Kraftmessgerät in speziellen Vorrichtungen geprüft. In der ISO 2307:2019 und den darauf beruhenden EN ISO 2307:2019 und DIN EN ISO 2307: 2019-12 „Faserseile - Bestimmung einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften“ sind unter anderem die Methoden zur Messung der Bruchkraft und der Dehnung des Seils unter Zugbeanspruchung festgelegt.

Für Zugkraftmessungen an gespannten Drähten- oder Seilen kann ein speziell für die Seilkraftmessung entwickeltes mobiles Kraftmessgerät verwendet werden, das so aufgesetzt wird, dass das Seil auf drei Rollen des Messgerätes geführt wird. Diese speziellen Seilspannungsmesser gibt es für unterschiedliche Kraftbereiche, Seildurchmesser und mit verschieden langer Messstrecke. Es wird aber immer freier Zugang und ausreichend Platz für das Anbringen der Messvorrichtung benötigt. Bei beengten Platzverhältnissen kann ein Kraftmessgerät mit ringförmigem Kraftaufnehmer oder einer Seilklemme eingesetzt werden. Diese eignen sich auch zur ständigen Überwachung der Kräfte am eingebauten Seil.