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.

Das Kürzel ASTM steht für Amerikan Society for Testing and Materials. Die internationale Standardisierungsorganisation ASTM International sitzt in den USA und erarbeitet und aktualisiert mit Experten aus 150 Ländern Standards zur Erhöhung von Sicherheit und Produktqualität. Durch die Standardisierung von Produkteigenschaften und Testverfahren tragen die Normen auch zur Erleichterung des internationalen Handels bei.

Für viele Produkte und Werkstoffe existieren sowohl ASTM Standards als auch EN Normen. Die Vorgaben zu den jeweiligen Produkttests weichen teilweise voneinander ab. Damit es nicht zu Fehlinterpretationen kommt, müssen die Testergebnisse also eindeutig gekennzeichnet werden. Wenn ein Kraftmessgerät, für die Messungen nach verschiedenen Normen verwendet wird, sollte bei den gespeicherten Messergebnissen eine klare Zuordnung zur angewendeten Norm möglich sein. Falls das Kraftmessgerät keine Unterscheidung ermöglicht, ist der Nutzer dafür verantwortlich, die Messwerte korrekt zuzuordnen.

Die aktuell etwa 13.000 ASTM Richtlinien sind in verschiedene Bereiche gegliedert, die durch Großbuchstaben gekennzeichnet werden:

• ASTM A Methoden für Eisenmetalle
• ASTM B Methoden für Nichteisenmetalle
• ASTM C Methoden für Zement, Keramik, Beton und Wandmaterialien
• ASTM D Methoden für verschiedene Materialien
• ASTM E Methoden für verschiedene Themen
• ASTM F Methoden für spezielle Anwendungsmaterialien
• ASTM G Methoden für Korrosionstests

Richtlinien für Kraft- und Drehmomentmessungen und die Anforderungen an das dazu verwendete Kraftmessgerät sind entsprechend ihrer Anwendbarkeit in die jeweiligen Bereiche eingruppiert. In den nachfolgenden Abschnitten sind beispielhaft einige der ASTM Normen für Belastungstests aufgeführt.

ACHTUNG!
Einige ASTM Testmethoden nennen Werte sowohl in Zoll-Pfund-Einheiten als auch in SI-Einheiten. Diese dürfen nicht ohne weiteres in die jeweils andere Eiumgerechnet werden, da die zugrundeliegenden Prüfvorgaben sich beispielsweise bei der Materialdicke der Proben unterscheiden können. Zoll-Pfund-Einheiten sind die im angloamerikanischen Sprachraum und damit auch in den USA noch weit verbreiteten Einheiten. SI-Einheiten sind die im Internationalen Einheitensystem festgelegten metrischen Einheiten.

ASTM E8 / E8M Standard Testmethoden für Zugversuche an metallischen Werkstoffen
beschreibt Prüfverfahren zur Prüfung der Zugbelastbarkeit von Metallen. Die genormten Proben werden eingespannt und bei Zimmertemperatur einachsig auf Zug belastet. Sollen neben der Zugfestigkeit auch Dehn- und Streckgrenze und andere materialspezifische Werte ermittelt werden, muss die Versuchsanordnung eine Regelung der Prüfgeschwindigkeit zulassen und das eingesetzte Kraftmessgerät muss in der Lage sein, neben der aufgebrachten Zugkraft auch die Dehnung mit ausreichend vielen Messwerten exakt zu erfassen.

ASTM A370 Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Stahlerzeugnissen
beinhaltet nicht nur Zug-, sondern auch Biege-, Steifheits- und Härteprüfungen für verschiedenen Stahlerzeugnisse.

ASTM D412 Tests für vulkanisiertes Gummi und thermoplastische Elastomere
definiert Bedingungen für Messungen zur Zugbelastbarkeit und zum Dehnverhalten. Dazu gehören Versuche zur Zugkraft- und Dehnungsbestimmung bei Bruch, zur Zugkraftmessung bei vorgegebener Dehnung und zur Bestimmung der bleibenden Längenänderung von elastischen Materialien nach Belastung. Das Kraftmessgerät und die Vorrichtung zum Aufbringen der Zugkraft sind so zu wählen, dass der Dehnungsweg groß genug und für eine gleichmäßige Dehnungsgeschwindigkeit gewährleistet ist.

ASTM D638 Prüfung der Zugfestigkeit von Kunststoffen
umfasst Prüfverfahren zur Ermittlung der Zugbelastbarkeit von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen bis 14 mm Dicke bei gleicher Vorbehandlung, Temperatur, Feuchtigkeit und Prüfmaschinengeschwindigkeit. Proben mit weniger als 1 mm Dicke sollten nach Möglichkeit gemäß ASTM D882 geprüft werden. Zu den Prüfergebnissen zählen die aufbringbare Zugkraft bis zum Versagen des Werkstoffs, das Zugmodul, die Längenänderung bei Versagen der Probe und das Verhältnis zwischen Dehnung und Dünnheit des geprüften Materials.

ASTM D1000 Prüfverfahren für druckempfindliches beschichtetes Klebeband, das in elektronischen Anwendungen verwendet wird
befasst sich mit der Prüfung der Haftfestigkeit und Unterstützung auf Stahl bei niedrigen Temperaturen und Raumtemperatur, der Haftfestigkeit nach Eintauchen in Lösungsmittel, der Zugfestigkeit und Dehnung bei niedrigen Temperaturen und bei Raumtemperatur, auf Verdrehen, auf dielektrische Durchbruchspannung, auf Durchstoßfestigkeit und auf die Relaxationskraft bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen. Um festzustellen, welche Kraft erforderlich ist um das Klebeband zu lösen oder zu beschädigen, wird ein Kraftmessgerät mit passender Ausstattung benötigt.

ASTM D1002 Prüfung der Festigkeitseigenschaften von Metallklebungen im Zugscherversuch
beschreibt eine Methode zur Ermittlung der Scherfestigkeit von Klebstoffen zum Verkleben von Metallen. Da solche Klebstoffe auch in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbrache und Elektronikindustrie verwendet werden, ist die Belastbarkeit dieser Klebeverbindungen von großer Bedeutung für die Funktionssicherheit der betroffenen Bauteile.

ASTM D1621 Prüfung der Druckeigenschaften von festen Schaumstoffen
bietet neben der Druckfestigkeit auch die Berechnung von Druckdehnung und Elastizitätsmodul aus den Ergebnissen der Prüfungen. Die Prüfvorrichtungen und das Kraftmessgerät müssen dafür eine konstante Belastungsgeschwindigkeit und das Zusammendrücken der Proben auf 13 Prozent ihrer Ursprungshöhe ermöglichen. Die Richtlinie fordert für die eingesetzten Messgeräte eine Messgenauigkeit von einem Prozent.

ASTM F1566 Prüfung von Federkernen, Boxsprings, Matratzen oder Matratzensätzen
beschreibt Testmethoden zum Vergleich der Haltbarkeit und Dauerfestigkeit von Matratzen unabhängig von deren Material. Dazu werden Belastungen aufgebracht, die Körperbewegungen simulieren. Damit die Testergebnisse vergleichbar sind, sind Art und Höhe der Belastungen genau festgelegt.

ASTM D5034 Prüfverfahren für die Prüfreißkraft und Dehnung von Textilgeweben (Greifversuch) beinhaltet verschiedene Griffigkeitstestverfahren mit denen Bruchfestigkeit und Dehnung vieler textiler Materialien bestimmt werden können. Diese schließen auch Nasstests ein. Sie eignen sich für Gewebe, Vliese und Filze, sollen aber nicht für Glasgewebe, Maschenware und andere textile Materialien mit mehr als 11 Prozent Dehnvermögen eingesetzt werden.

Weitere ASTM Normen für Prüfungen an textilen Materialien bei denen ein geeignetes Kraftmessgerät verwendet werden muss, sind ASTM D5035, ASTM D1294, ASTM D2256, ASTM D2261, ASTM D2653, ASTM D2731, ASTM D3787, ASTM D3822, ASTM D4884, ASTM D4964, ASTM D6241, ASTM D6775, ASTM D7269 und ASTM D8054.

Oft werden Drehmomente bestimmter Größe zur Sicherung von Schraubverbindungen oder bei Spreizdübeln benötigt. Die Höhe des Drehmoments muss dabei häufig sowohl nach oben als auch nach unten begrenzt werden. Nur dann ist gewährleistet, dass die Verbindung sicher durch die Klemmkraft hält und nicht zerstört wird.

Für die Anzugsmomente bei Klemmverschraubungen gilt je nach Verschraubungstyp die Normen:
ASTM A193, ASTM A307, ASTM A320, ASTM A325, ASTM A354, ASTM A449, ASTM A490.

Werden Schraubverbindungen durch Klebung gesichert, kann die Beständigkeit der Verklebung nach
ASTM D5649 - Drehmomentfestigkeit von an Schraubverbindungselementen verwendeten Klebern – getestet werden.

Bei Schrauben für den Einsatz im Körper, zum Beispiel zur Fixierung von Knochenbrüchen, gelten zusätzliche Anforderungen. In ASTM F543 - Kortikale Knochenschrauben – sind wichtige Anforderungen definiert. Daneben gibt es eine Reihe weiterer international anerkannter ASTM Richtlinien für Implantate die Kräfte aufnehmen oder übertagen müssen. Dazu gehören

• die ASTM F382 für Knochenplatten,
• die ASTM F897 zur Reibkorrosion von Osteosyntheseplatten und Schrauben,
• die ASTM F2502 für resorbierbare Platten und Schrauben und
• die ASTM F384 für gewinkelte Frakturstabilisierungssysteme.

Schraubverschlüsse von Behältern können so gesichert werden, dass sie von Kleinkindern wegen des erforderlichen Kraftaufwandes nicht zu öffnen sind. Da einige Produkte wie Tabletten oder andere Medizin zwar kindersicher, aber trotzdem für körperlich beeinträchtigte Personen zugänglich sein sollen, werden dort spezielle Sicherungsprinzipien eingesetzt. Verfahren und Bedingungen für die Prüfung des Drehmomentes und der zusätzlichen Verschraubungssicherungen sind beschrieben in: ASTM D2063, ASTM D3198, ASTM 3472, ASTM D3810, ASTM 3968 und ASTM D7860.

Nicht nur an Schraubverbindungen werden Drehmomente mit einem Kraftmessgerät überprüft. Auch an drehbar gelagerten Maschinenteilen können die bei bestimmten Einsatzbedingungen auftretenden Momente bestimmt werden. Beispielsweise kann ermittelt werden, wie das Verhalten von Schmierstoffen bei niedrigen Temperaturen das Drehmoment beeinflusst. Regelungen dazu sind in der ASTM D1478 für Kugellager und in der ASTM D4693 für Radlager formuliert.

Kraftmessungen werden in unterschiedlichsten Bereichen durchgeführt. Für einige Einsatzfälle genügt ein Kraftmessgerät mit der Standardausstattung, wie zum Beispiel bei einfachen Zug- oder Druckmessungen mit einer Waage. Für andere Kraftmessungen wird dagegen spezielles Zubehör zum Halten der Probe oder zum Aufbringen der Kraft benötigt. Für häufig auftretende Anwendungen sind solche Zubehörteile oft schon mit passenden Befestigungsmöglichkeiten für das Kraftmessgerät oder den Kraftmessstand verfügbar. Bei verschiedenen Herstellern ist eine große Auswahl an Spannvorrichtungen zum Fixieren von Proben und ebenso eine Vielzahl an Adaptern zum Einleiten von Kräften vorrätig.

Speziellere Aufgabenstellungen sind aber nicht ohne weiteres mit der im Standardprogramm angebotenen Messtechnik umsetzbar. Für diese Fälle kann eventuell ein vorhandenes Kraftmessgerät aufgabenspezifisch angepasst oder erweitert werden oder es werden passende Sensoren und Auswertegeräte mit zusätzlichen Bauteilen zu einer geeigneten Messvorrichtung kombiniert. Im Lieferprogramm von PCE Instruments sind mehrere Kraftmesslösungen die in Zusammenarbeit mit Kunden für deren Aufgabenstellung entwickelt wurden und die jetzt auch für andere Kunden zur Verfügung stehen.

Dazu gehören unter anderem:

• ein handliches Kraftmessgerät mit Zugvorrichtung zum Messen der Haftkraft von Kantenumleimern und
• ein fahrbarer Prüfstand zum Messen und Auswerten der Klemmkraft von Großflächenklemmen.

Weitere Lösungen, die speziell für die Anforderungen einzelner Kunden entwickelt wurden, sind:

• Anpassungen an Waagen, um die Schneelast auf Flachdächern permanent zu überwachen oder
  um Verantwortliche bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes per SMS zu informieren,
• Kraftmessvorrichtung zur Messung und Anzeige der Zugkraft beim Spannen eines Langbogens,
• Spezielle Adapter zum Fixieren von Proben bei Belastungstests an Textilien.

Bei beschichteten Holzwerkstoffplatten werden auf die Schnittkanten oft spezielle Umleimer geklebt. Diese sollen die Platte nicht nur vor Beschädigungen an den Kanten und dem Eindringen von Feuchtigkeit schützen. Der Kantenschutz dient auch der optischen Aufwertung und verhindert, dass sich jemand an der Schnittkante verletzt und dass Kleidung oder anderes Material beschädigt werden.

Beim Verkleben können verschiedene Probleme auftreten, die zu mangelnder Haftung zwischen Platte und Kantenmaterial führen. PCE Instruments hat in Zusammenarbeit mit der Firma Rehau eine Messvorrichtung entwickelt, mit der die Haftfestigkeit der Kantenverklebung einfach, schnell und mit reproduzierbarem Ablauf geprüft werden kann. Damit können Stichproben von Produktchargen direkt in der Fertigung geprüft werden.

Die Messvorrichtung mit Abmessungen von nur 490 mm x 210 mm x 150 mm ermöglicht nach Einspannen des Prüfkantenendes den automatischen Ablauf eines 90 Grad Peel Tests. Dafür wurde das Kraftmessgerät verfahrbar auf dem Gehäuse montiert. Die Vorschubgeschwindigkeit ist mit 50 mm pro Sekunde und der Verfahrweg mit 100 mm fest definiert. Für die vorgesehene Anwendung wurde ein Kraftmessgerät mit einer Maximalkraft von 500 N gewählt.

Das getestete Spanplattenstück wird während des Peeltests im 90 Grad Winkel zur Zugrichtung nahezu reibungsfrei über die auf der Gehäuseoberfläche angeordneten Kugelrollen gezogen. Die selbsthemmenden Spannbacken und die leichtgängigen Führungsrollen für das Kantenmaterial gewährleisten den sicheren Ablauf des Testvorgangs. Geübte Anwender benötigen für eine komplette Messung inklusive Vorbereitung weniger als eine Minute.

Das Kraftmessgerät speichert während des Testablaufs Einzelwerte aus denen Minimum, Maximum, Differenz zwischen Minimum und Maximum und der Durchschnitt der Zugkraft direkt auf dem Display angezeigt werden. Für die Anzahl der Messwerte sind zwei Einstellungen möglich, entweder 10 oder 40 Einzelmessungen pro Sekunde. Detaillierte Auswertungen des Messverlaufs sind mit Hilfe der gerätespezifischen PC-Software möglich, die die Daten auch als Kraft-Zeit-Diagramm anzeigen kann.

Für den sicheren Transport von elektronischen Großgeräten wie Kühlschränke, Herde, Waschmaschinen werden oft Stapleranbauten mit Großflächenklammern verwendet. Die Klammerarme besitzen mehrere Einstellpunkte über die die Klemmkraft an die Ladung angepasst werden kann. Da die Kräfte an der Klammer nicht angezeigt werden können, sollte eine Vorrichtung entwickelt werden, mit der die durch die Einstellungen erzeugten Klemmkräfte messbar sind.

Der von PCE Instruments speziell für diese Aufgabe entwickelte Kraftmessstand PCE-4PCFM misst zeitgleich an vier unterschiedlichen Messpunkten die aufgebrachten Druckkräfte. Die Vorrichtung ist für eine Maximalkraft von dreitausend Kilogramm pro Messpunkt ausgelegt und zeigt die Messwerte mit einer Auflösung von einem Kilogramm an.

Mit diesem Kraftmessstand können verschiedene Großflächenklammern schnell und zuverlässig geprüft werden. Die Position der Messpunkte am Gerätewagen kann dazu durch Verschieben einfach geändert werden. Für den unkomplizierten Wechsel des Prüfstandorts innerhalb von Werk- oder Lagerhallen wurde der Teststand mit Akku und Fahrrollen ausgestattet.

In diesem Kraftmessstand kann jede Prüfung mit einer Identifikationsnummer für das geprüfte Teil verknüpft werden. Die Daten können gedruckt oder auf einem USB-Stick gespeichert und bei der nächsten Überprüfung der Großflächenklammer zum Vergleich herangezogen werden. Um die Einstellung der Klammern zu vereinfachen, besteht die Möglichkeit, Sollwerte für die Gesamtkraft und die einzelnen Messpunkte vorzugeben. Abweichungen bei den Messergebnissen werden bei der Anzeige dann farbig markiert.

Die Einstellung der richtigen Klemmkraft an den Greifarmen ist wichtig, damit die gehaltenen Objekte weder rutschen noch durch zu starkes Drücken beschädigt werden. Der von PCE Instruments entwickelte und gefertigte Vierpunkt Kraftmessstand wird inzwischen erfolgreich vom Kunden eingesetzt. Der Kraftmessstand ermöglicht die schnelle und präzise Messung für vier Klemmpunkte gleichzeitig. Dadurch können die Großflächenklammern jetzt viel einfacher kontrolliert und auf die gewünschten Werte eingestellt werden.

Das PCE-Kraftmesslabor bietet Kalibrierungen nach ISO 9001 (Werkskalibrierungen) oder gemäß ISO 17025 (akkreditierte Kalibrierungen) an. Die Kalibrierung nach ISO 17025 hat einen größeren Messumfang als die Kalibrierung nach ISO 9001. Richtlinie für die Kalibrierung nach ISO 9001 ist die „DAkkS-DKD-R-3-3, Ablauf A“. Diese ist meist auch die Grundlage der Kalibrierung nach ISO 17025, hier sind aber noch andere Abläufe möglich.

Musterkalibrierscheine zum Vergleich
ISO 9001 mit je 5 Einzelmesswerten: Auf- oder absteigend für Zug- und Druckkraft, sowie Differenz von Ist- und Sollwerten. DAkkS mit je 6 Prüfreihen für Zug- und für Druckkräfte, mehreren Einbaulagen und Angabe erweiterter Messunsicherheit.

Für Kunden, die eine DAkkS Kalibrierung für ihr Kraftmessgerät benötigen, bietet das PCE-Kraftmesslabor DAkks-Kalibrierungen in Zusammenarbeit mit Partnerlaboren an. Details zum Prüfablauf und Prüfbedingungen werden auftragsbezogen im Zuge der Angebotserstellung abgestimmt.

Wenn einer Kraft nicht genug Widerstand entgegengesetzt wird, verursacht sie Verformungen, Bewegungen oder Beschleunigungen. Mit einem geeigneten Kraftmessgerät kann die Kraft aufgrund ihrer Wirkung bestimmt werden. Meist wird die Kraft über die elastische Verformung eines speziellen Federkörpers gemessen. Je höher die Nennlast, also die Maximallast für das Kraftmessgerät ist, desto höher muss die Steifigkeit des Federkörpers sein. Der Höhe der zu messenden Kraft sollte deshalb vor der Messung abgeschätzt werden, damit der Sensor vom Kraftmessgerät nicht durch Überlastung zerstört wird. Für eine korrekte Messung ist es wichtig, die Art der wirkenden Kräfte, ihre Richtung und die Umgebungsbedingungen zu beachten und dafür das passende Kraftmessgerät zu wählen.

Messen zwei Gruppen beim Tauziehen ihre Kräfte, gewinnt die Gruppe, die es schafft, die andere Gruppe über eine festgelegte Linie zu sich herüber zu ziehen. Das Ergebnis dieser „Zugkraftmessung“ ist aber kein reproduzierbarer Zahlenwert, der mit den Ergebnissen aus anderen Messungen verglichen werden kann. Anders bei dem auf der Kirmes beliebten Kraftmessgerät „Hau den Lukas“. Dort kann die Kraft des Hammerschlages, die senkrecht auf den Zielpunkt wirkte, an einer Skala abgelesen werden. Je höher die mit dem Hammer aufgebrachte Kraft, desto weiter steigt die auf der anderen Seite der Wippe liegende Metallscheibe nach oben. Erreicht sie den Grenzwert, gibt es sogar einen akustischen Alarm.

Baugruppen beim Kraftmessgerät
Zu einem Kraftmessgerät gehören immer der Kraftaufnehmer, der bei Krafteinwirkung verändert wird und eine Werteausgabe in Form einer ablesbaren Anzeige oder einer genormten Schnittstelle zur Übertragung des Messsignals. Meist wird zwischen Sensor und Ausgabeeinheit eine weitere Baugruppe zum Wandeln und Verstärken des eigentlichen Messsignals benötigt. Zusätzliche Bauelemente können den Funktionsumfang oder die Nutzungssicherheit vom Kraftmessgerät erhöhen, zum Beispiel Überlastsicherungen, Messwertspeicher oder Alarmgeber. Sollen hohe Kräfte gemessen werden, besteht die Möglichkeit, mehrere Kraftaufnehmer parallel anzuordnen und gemeinsam auszuwerten.

Kraftmessgerät nicht unter Winkeln einsetzen – Belastungsrichtung einhalten
Viele Modelltypen vom Kraftmessgerät dürfen wegen der Art des Kraftaufnehmers nur entlang der vorgesehenen Achse belastet werden. Wird das Kraftmessgerät nicht zentriert in Richtung der Messachse belastet, sondern im Winkel dazu, kann der Betrag der Gesamtkraft nicht korrekt bestimmt werden. Es wird nur der Kraftanteil ermittelt, der entlang der Messachse verläuft. Die zusätzliche Belastung in einer davon abweichenden Richtung kann den Kraftaufnehmer, wenn er konstruktiv nicht gegen Querkräfte stabilisiert ist, beschädigen.

Beim Einsatz von Prüfständen und Prüfmaschinen für Kraftmessungen ist die Belastungsrichtung fest vorgegeben. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass das Kraftmessgerät, der Prüfling und das Zubehör für den Versuchsaufbau entsprechend der Prüfanforderungen angeordnet und fixiert werden.

Beispielskizzen für falsche Krafteinleitung in eine Kraftmessdose, links ausmittige Belastung und rechts zwar mittig aufgebracht, aber nicht axial.

Bei einigen Kraftmessungen kann nicht sichergestellt werden, dass die gesamte Kraft in der vorgesehenen Messrichtung eingeleitet wird. Für diese Anwendungen sollte ein Kraftmessgerät verwendet werden, dessen Kraftaufnehmer Fehlbelastungen toleriert. Diese Unempfindlichkeit gegen Fremdkräfte kann durch das Messprinzip oder bei DMS-Kraftsensoren durch spezielle Bauformen des Federkörpers erreicht werden. Angaben zu Grenzbiegemoment, Grenzdrehmoment und Grenzquerkraft des Kraftsensors lassen erkennen, wie hoch die zusätzlichen Belastungen sein dürfen. Werden diese sensorspezifischen Werte überschritten, kann der Sensor irreversibel geschädigt werden.

Kraftmessgeräte nur in geeigneten Umgebungsbedingungen verwenden
Ein Kraftmessgerät kann nur dann wie vorgesehen funktionieren, wenn es bei geeigneten Umgebungsbedingungen eingesetzt wird. Allgemein bekannt ist, dass zu hohe Feuchte negativen Einfluss auf elektronische und andere feuchteempfindliche Bauteile hat. Durch hohe Luftfeuchtigkeit kann Kondensat und damit sowohl Korrosion als auch Kriechströme entstehen. Zu den am häufigsten für Messgeräte angegebenen Betriebsbedingungen gehört deshalb neben der Temperatur die relative Luftfeuchtigkeit.

Beim Temperatureinfluss ist es wichtig zu wissen, dass es bei einem Kraftmessgerät nicht genügt, den vorgegebenen Temperaturbereich einzuhalten. Um präzise Messergebnisse zu erzielen, muss auch verhindert werden, dass am Sensorkörper größere Temperaturdifferenzen auftreten, weil er während der Messung einseitig erwärmt oder abgekühlt wird.

Bei Messungen in Bereichen, in denen das Kraftmessgerät Spritzwasser oder anderen Flüssigkeiten ausgesetzt ist oder bei denen prozessbedingt mit vielen Partikeln in der Luft zu rechnen ist, ist ein Kraftmessgerät zu empfehlen, dessen Gehäuse einen hohen IP Schutzgrad aufweist. Besondere Vorsicht ist bei Seeluft, korrosiven Gasen und Dämpfen erforderlich. Hier sollte auf möglichst geschützte Anbringung geachtet und das eingesetzte Kraftmessgerät regelmäßig überprüft werden.

Zu den häufig auftretenden Störfaktoren gehören auch elektromagnetische Felder und Schwingungen aus der Umgebung. Je nach Art des Kraftaufnehmers und dessen Montage können sie das Messergebnis mehr oder weniger stark verfälschen. Diese Störungen sollten, sofern sie nicht vermeidbar sind, bei der Planung des Messaufbaus so berücksichtigt werden, dass sie während der Messungen nur geringen Einfluss auf das Kraftmessgerät haben.