Der Miniatur – Kraftaufnehmer ist dank seiner kleinen Abmessungen an schwer zugänglichen Messstellen gerne anzuwenden. Besonders die Bauhöhe ist bei diesem Kraftsensor etwas Besonderes. Mit dem Durchmesser von nur Ø 10 mm ist dieser Kraftaufnehmer kleiner im Durchmesser als eine 1 Cent Münze.
- Nennlast / kraft F.S.: 5-100 kg / 50-1000N
- Grenzlast / kraft: 120 %
- Bruchlast / kraft: 150 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftaufnehmer Nennlast auswählbar!
Ein Kraftaufnehmer aus nicht rostenden Stahl mit einer Messunsicherheit von nur 0,5 %. Mit den Abmessungen von Ø 13 mm und einer Bauhöhe von 7 mm ist der Kraftaufnehmer sehr vielseitig einsetzbar.
- Nennlast / kraft F.S.: 5-100 kg / 50-1000N
- Grenzlast / kraft: 120 %
- Bruchlast / kraft: 150 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftaufnehmer Nennlast auswählbar!
Das ist eine Druckmessdose als Kraftaufnehmer mit einem hohen Messbereich bei geringen Abmessungen. Die Abmessungen vom Kraftaufnehmer sind in der Höhe nur 9 mm und im Durchmesser 19 mm.
- Nennlast / kraft F.S.: 5-500 kg / 50-5000N
- Grenzlast / kraft: 120 %
- Bruchlast / kraft: 150 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftaufnehmer Nennlast auswählbar!
Der Miniatur – Kraftaufnehmer ist besonders aufgrund seiner kompakten Abmessungen in vielen Einsatzbereichen zu finden. Mit einer geringen Krafteinleitungsfläche ermöglicht der Miniatur – Kraftaufnehmer die Kraftmessung an kleinen Kontaktflächen.
- Nennlast / kraft F.S.: 10-50 kg / 100-500N
- Grenzlast / kraft: 150 %
- Bruchlast / kraft: 200 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftsensor Nennlast auswählbar!
Der flache Miniatur – Kraftaufnehmer hat eine Bauhöhe von nur 4 mm. Mit dem Durchmesser von Ø 12 mm ist dieser Miniatur – Kraftaufnehmer sehr kompakt. Dabei erreicht dieser Kraftaufnehmer eine Messunsicherheit von nur 0,5 %.
- Nennlast / kraft F.S.: 5-2000 kg / 50-20 kN
- Grenzlast / kraft: 120 %
- Bruchlast / kraft: 150 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftsensor Nennlast auswählbar!
Der flache Miniatur – Kraftaufnehmer hat eine Bauhöhe von nur 4 mm. Mit dem Durchmesser von Ø 12 mm ist dieser Miniatur – Kraftaufnehmer sehr kompakt. Dabei erreicht dieser Kraftaufnehmer eine Messunsicherheit von nur 0,5 %.
- Nennlast / kraft F.S.: 5-50 kg / 50-500N
- Grenzlast / kraft: 120 %
- Bruchlast / kraft: 150 %
- Nennkennwert: 1,0 – 1,5 mV/V
- Kraftaufnehmer Nennlast auswählbar!
Sensoren für Kraftmessgeräte oder Vorrichtungen zur Kraftmessung nennt man Kraftaufnehmer. Kraftaufnehmer können unterschiedlichste Formen und Größen haben. Kraftaufnehmer mit flacher zylindrischer Form wurden oft auch Kraftmessdose genannt. Heute benutzt man die Bezeichnung Kraftmessdose auch für andere Bauformen. Es gibt Kraftaufnehmer die fest mit der Kraftanzeige verbunden sind, aber auch Kraftaufnehmer die an verschiedene Kraftmessgeräte oder Kraftanzeigen angeschlossen werden können. Externe Kraftaufnehmer haben den Vorteil, dass Messstelle und Anzeigestelle räumlich entfernt sein können und dass sie auch unter sehr begrenzten Platzverhältnissen eingesetzt werden können. Bei einigen elektrischen Messprinzipien können die Signale mehrerer Kraftaufnehmer gemeinsam ausgewertet werden. Diese Möglichkeit wird häufig in der Wiegetechnik genutzt. Da die Masse bei bekanntem Gravitationswert aus der Gewichtskraft ermittelt werden kann, werden Kraftaufnehmer bei sehr vielen Waagen eingesetzt. Spezielle Kraftaufnehmer können mehrere Kraftrichtungen entlang einer Achse erfassen oder zeitgleich die Werte für mehrere Kraftachsen.
Die Richtlinie VDI 2638 regelt Kenngrößen für Kraftaufnehmer. Laut Pressemitteilung des VDI
ermöglicht die Richtlinie durch die Definition von Kenngrößen für Kraftaufnehmer „dem Verbraucher eine klare Zuordnung von Produkteigenschaften und eine bedarfsgerechte Auswahl.“
Wirkprinzipien für Kraftaufnehmer
Kraftaufnehmer mit Federkraft
Einfache mechanische Kraftaufnehmer können aus metallischen Spiralfedern hergestellt werden. Wird die Spiralfeder entlang der Achse gedrückt oder gezogen, dann ist die Längenänderung innerhalb des Messbereiches proportional zur ausgeübten Kraft. Bei Entlastung nimmt der Feder Kraftaufnehmer wieder die ursprüngliche Form an. Abhängig von Material, Materialdicke und Art und Anzahl der Wicklungen können die Federn für unterschiedliche Messbereiche ausgelegt werden. Der Federweg wird auf einer Skala als Kraftwert angezeigt. Einige Federkraftmesser ziehen bei Belastung zusätzlich einen separatem Schleppzeiger mit, der bei Entlastung nicht in die Ausgangsposition zurückkehrt. Dadurch wird der Maximalwert einer Messreihe gespeichert.
Kraftmessdose mit Hydraulikflüssigkeit
Hydraulische Kraftaufnehmer haben oft die Form einer Kraftmessdose. Bei der verbreitetsten Form wirkt die Kraft auf einen meist etwas hervorstehenden Kolben, der in den mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zylinder gedrückt wird. Für Messstellen, bei denen die Kraftmessdose mittels einer Welle positioniert und gehalten wird, gibt es spezielle Ringkolben.
Da Flüssigkeiten schwer komprimierbar sind, geben sie die aufgebrachte Kraft im System weiter. Die Anzeige kann zum Beispiel mechanisch über Manometer, Druckmessumformer oder spezielle Kontakte erfolgen. Eine hydraulische Kraftmessdose benötigt keine Hilfsenergie, ist robust und kann bei entsprechender Hydraulikflüssigkeit in weiten Temperaturbereichen eingesetzt werden.
Kraftmessdose mit Dehnmesstreifen (DMS)
Auch Kraftaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen nutzen die elastische Verformung von Metalldrähten. Allerdings wird hierbei nicht die Längenänderung erfasst, sondern die dadurch hervorgerufene Änderung des elektrischen Widerstands. Wird der Draht gedehnt, steigt der Widerstand und er sinkt, wenn der Draht gestaucht wird. Den auf eine Trägerfolie meist mäanderförmig aufgebrachten dünnen Draht bezeichnet man als Dehnmesstreifen. Den Grundkörper auf den die Dehnmessstreifen aufgebracht werden, nennt man Federkörper, weil auch er sich elastisch verformt.
Durch den Einsatz mehrerer kreuzverschalteter Widerstände können Messfehler durch Querkräfte Biegemomente und Temperaturänderungen vermieden werden. Das erreicht man durch die Wheatstonesche Brückenschaltung bei der vier Dehnmessstreifen so auf dem Federkörper der Kraftmessdose oder des Kraftaufnehmers angebracht werden, dass bei Krafteinwirkung zwei gestaucht und zwei gedehnt werden. Ändert sich die Temperatur, ändert sich der Widerstand in allen Dehnmessstreifen, aber durch die gegensätzliche Ausrichtung entsteht keine Ausgangsspannung. Mit Hilfe dieser Schaltung können sehr genaue Kraftsensoren mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden. Über Form und Material des Federköpers können außerdem sehr viele unterschiedliche Messbereiche abgedeckt werden.
Kraftaufnehmer mit elektromagnetischer Kompensation
Beim Kraftaufnehmer mit elektromagnetischer Kompensation (auch kurz EMFC für electromagnetic force compensation) wird um eine unter Strom gesetzte Spule ein Magnetfeld erzeugt. Ein Lagesensor erkennt, wenn sich die Spule durch Krafteinwirkung absenkt. Der Sensor gibt das Signal an einen Regler der den Spulenstrom erhöht bis die Ursprungslage wieder erreicht ist. Die Position ist also im belasteten und unbelasteten Zustand gleich, weil der Kraftaufnehmer die Kraftwirkung elektromagnetisch kompensiert. EMFC Kraftaufnehmer können auch sehr kleine Kräfte präzise messen. Der benötigte Strom ist zur Belastung proportional.
Kraftaufnehmer mit piezoelektrischen Elementen
Durch Belastung entsteht an der Oberfläche piezoelektrischer Kristalle eine Ladung deren Betrag proportional zur aufgebrachten Kraft ist. Dieser Effekt an bestimmten Kristallen mit polaren Achsen wurde 1880 von Pierre und Jaques Curie entdeckt. Weil diese Ladung nur kurzzeitig erhalten bleibt, eignet sich das Prinzip hauptsächlich bei schnellen Lastwechseln, kurzzeitigen Belastungsspitzen oder für Dauermessungen mit kontinuierlicher Aufzeichnung. Selbst dynamische Belastungen mit Frequenzen bis 100Hz können mit einem piezoelektrischen Kraftaufnehmer gemessen werden. Bei entsprechender Positionierung mehrerer Elemente sind auch mehrachsige Messungen möglich.
Den Kraftsensoren, die häufig aus Quarzkristallen gefertigt sind, wird ein Ladungsverstärker nachgeschaltet. Der erfasst die Ladungsänderungen, wandelt sie um und gibt sie an Anzeigen, Schnittstellen oder Speichermedien weiter. Piezoelektrische Kraftaufnehmer messen dynamische Belastungen sehr schnell und mit hoher Empfindlichkeit.
Auswahlkriterien für Kraftaufnehmer
Folgende grundlegende Fragen helfen, einen passenden Kraftaufnehmer zu finden:
- Welche Kraftart soll vom Kraftaufnehmer erfasst werden?
- Benötigen Sie spezielle Adapter für die Messaufgabe?
- Wie hoch sind die Maximalkräfte?
- Welche Genauigkeit wird erwartet?
- Müssen die Messergebnisse gespeichert werden?
- Wird der Kraftaufnehmer unter besonderen Umgebungsbedingungen eingesetzt?
Kraftarten beim Kraftaufnehmer
In Abhängigkeit von der Messaufgabe unterscheidet sich die Bauart der Kraftaufnehmer. Wichtig ist, ob statische oder dynamische Kräfte gemessen werden sollen. Danach wird unterschieden in
- Kraftaufnehmer die nur Zugkräfte oder nur Druckkräfte messen,
- Kraftaufnehmer die bidirektional Zug- und Druckkräfte messen
- Kraftaufnehmer die Drehmomente erfassen können.
Adapter für Kraftaufnehmer
Einige Kraftaufnehmer bieten die Möglichkeit spezielle Adapter anzuschließen. DMS Kraftaufnehmer mit S-Form besitzen neben der Anschlussmöglichkeit für die Kraftanzeige am oberen und unteren Schenkel metrische Gewindebohrungen. An diese können
- unterschiedliche Messspitzen mit definierten Kreis-, Kugel oder Kegeloberflächen zur Druckmessung
- oder Haken, Ösen oder Spannelemente zum Befestigen der Proben für Zugmessungen am
Kraftaufnehmer fixiert werden.
Maximalkraft bei einem Kraftaufnehmer
Für jede Kraftmessdose und jeden Kraftaufnehmer wird eine Maximalkraft angegeben. Bis zu dieser Belastung kann die angegebene Messgenauigkeit erreicht werden. Einige Kraftaufnehmer werden zerstört, wenn diese Last um wenige Prozent überschritten wird.
Bei anderen Kraftsensoren ist ein Faktor angegeben, der definiert wieviel Überlast der Kraftaufnehmer ohne Schaden aushält. Man kann zwischen Nennlast, Grenzlast und Bruchlast unterscheiden. Einige Kraftaufnehmer oder Kraftmessgeräte haben separate Überlastsicherungen damit die Kraftsensoren nicht zerstört werden. Bei der Auswahl muss also nicht nur der vorgesehene Messbereich berücksichtigt werden, sondern auch, ob unbeabsichtigte Überlastungen möglich sind.
Genauigkeit vom Kraftaufnehmer
Je nach Bauart und Messbereich können Kraftaufnehmer verschiedene Genauigkeiten erreichen. Es ist zu beachten, dass Kraftaufnehmer mit hoher Messgenauigkeit diese Genauigkeit nur bei Einhaltung der festgelegten Umgebungsbedingungen erreichen. Die Messgenauigkeit und die Anzeigeauflösung sind nicht identisch. Dis ist sowohl bei der Auswahl der Kraftaufnehmer als auch bei der Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen.
Speichermöglichkeiten beim Kraftaufnehmer
Für einige Messungen genügt die direkte Anzeige zum Beispiel bei Kontrollwiegung von Obst. Sollen die Messwerte aber direkt gespeichert oder für Berechnungen genutzt werden, bieten sich Kraftaufnehmer an, die Daten weitergeben können. Ein einfacher Feder Kraftaufnehmer oder eine hydraulische Kraftmessdose kann über Schleppzeiger den Maximalwert einer Messreihe speichern. Elektronische Kraftsensoren bieten weit mehr Möglichkeiten. Mit Hilfe der elektrischen Größen die sie an die Anzeige- und Auswerteeinheit übertragen, können Messwerte gespeichert, umgewandelt und weitergegeben werden. Die Signale elektrischer Kraftaufnehmer können direkt ausgewertet und an Alarmgeber oder Schaltkontakte weitergeleitet oder auf einem PC angezeigt und gespeichert werden. Bei der Messung dynamischer Kräfte ist zu berücksichtigen, in welchem Zeitabstand der Kraftaufnehmer Kraftänderungen erfassen kann.
Anforderungen der Kraftaufnehmer an die Umgebung
Je nach Messprinzip funktionieren Kraftaufnehmer nur unter bestimmten Bedingungen in Bezug auf Temperatur, Luftfeuchte, elektrische bzw. magnetische Aufladung zuverlässig. Ein Kraftaufnehmer bei dem elektrische Größen ausgewertet werden, ist sehr viel empfindlicher als eine mechanische Kraftmessdose. Auch digitale Anzeigen für Kraftaufnehmer und Kraftmessdosen können nur bei passenden Temperatur- und Feuchtewerten genutzt werden. Für einige Anwendungen bieten sich deshalb mechanische und hydraulische Systeme an.
