Kraftaufnehmer / Kraftmessdose

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.“

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.

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.

Miniatur Kraftaufnehmer - Merkmale und Verwendung
Miniatur Kraftaufnehmer sind Kraftsensoren, die sich durch besonders kleine Abmessungen auszeichnen. Durch die geringe Größe ist es möglich, sie ohne hohen Anpassungsaufwand in Maschinen, Fertigungsanlagen und Versuchsaufbauten auch dort zu integrieren, wo wenig Platz zur Verfügung steht. Deshalb werden für Kraftmessungen zur Überwachung und Steuerung von industriellen Prozessen und beim Test neuer Materialien und Komponenten oft Miniatur Kraftaufnehmer verwendet.

Die Größe der Miniatur Kraftaufnehmer lässt keine Rückschlüsse auf den Messbereich zu. Sie können für geringe oder für hohe Kräfte ausgelegt sein. Eine Kraftmessdose mit Gehäusedurchmesser 25 Millimeter kann beispielsweise - je nach verbauter Messzelle - entweder für Kräfte bis 50 Newton oder bis 5.000 Newton eingesetzt werden. Je nach Art der Messzelle sind statische oder dynamische Messungen für Druck oder Zug oder beide Kraftrichtungen möglich.

Voraussetzung für den Einsatz einer Miniatur Kraftmessdose ist, dass die zu messende Kraft gezielt eingeleitet werden kann. Deshalb gibt es unterschiedliche Bauformen für Miniatur Kraftaufnehmer mit verschiedenen Varianten zur Kraftübertragung. Viele Typen sind scheiben- oder zylinderförmig. Es gibt aber auch Ausführungen als Zugstab, Biegebalken, Kraftmessring oder in S-Form. Die Krafteinleitung kann direkt über Kontaktflächen oder über Schraubgewinde, Bohrungen oder Ösen erfolgen.

Damit der Miniatur Kraftaufnehmer bei unplanmäßiger Belastung nicht sofort ausfällt, wurden Modelle mit Überlastsicherung und hoher Seitenlastunempfindlichkeit entwickelt. Für Anwendungen, bei denen zusätzliche Kräfte quer zur Messrichtung wirken, sollten unbedingt Miniatur Kraftaufnehmer mit ausreichender Seitenlaststabilität gewählt werden. Diese Kraftaufnehmer sind so konstruiert, dass die Messzelle durch die aufgebrachten Seitenkräfte nicht zerstört und nicht bei der Erfassung der zu messenden Kraft beeinflusst wird.

Das Anschlusskabel für die Spannungsversorgung und die Signalausgabe ist auch beim Miniatur kraftaufnehmer meist im neunzig Grad Winkel zur Kraftrichtung angeordnet. Diese Kabel unterscheiden sich wie bei anderen Sensoren nicht nur in der Länge, sondern auch in der Anzahl der Adern. Baukörper und Kabel sind meist so robust ausgeführt, dass ihnen weder übliche Betriebsstoffe noch Feuchtigkeit schaden. Dadurch wird eine hohe Zuverlässigkeit auch bei anspruchsvoller Umgebung sichergestellt.

Hydraulische Kraftaufnehmer – Arten und deren Anwendungen
Die Begriffe hydraulisch und Hydraulik sind aus den griechischen Worten „hydro“ für Wasser und „aulos“ für Röhre zusammengesetzt. Sie werden in der Technik für geschlossene Systeme verwendet, die die Eigenschaften von Flüssigkeiten zur Übertragung von Kräften, Signalen und Energie nutzen. Anstelle von Wasser werden in vielen Anwendungen spezielle Hydrauliköle eingesetzt.

Hydraulische Kraftaufnehmer messen Druckkräfte dadurch, dass die aufgebrachten Kräfte die Hydraulikflüssigkeit auf einen Federkörper drücken und diesen dadurch in die baulich vorgegebene Richtung bewegen. Je stärker die aufgebrachte Kraft, desto stärker wird die Feder gedrückt. Der Druck kann auf diese Weise ohne Hilfsenergie gemessen und angezeigt werden.

Neben den komplett analogen Modellen mit Skalenanzeige, gibt es viele hydraulische Kraftaufnehmer mit digitalen Anzeigen oder Schnittstellen. Der Druckwert wird dort durch Messumformer in elektronische Signale für Digitalanzeigen oder Standard-Schnittstellen umgewandelt. Die analogen Geräte können lediglich den höchsten Wert der Messreihe durch einen mitbewegten Schleppzeiger so lange zusätzlich anzeigen, bis dieser wieder genullt wird. Hydraulische Kraftaufnehmer mit Messumformer können dagegen auch mit einem elektronischem Messwertspeicher ausgestattet werden.

Hydraulische Kraftaufnehmer werden häufig zum Bestimmen der Druckkräfte an Maschinen eingesetzt. Analoge Modelle sind beispielsweise für Einzelmessungen zum Einrichten und Justieren der Kräfte an Werkzeugmaschinen, Pressen, Spannvorrichtungen und Hebezeugen geeignet. Sie können auch für die vorgeschriebenen Kontrollen der Schließkräfte an Automatiktüren und Automatiktoren verwendet werden. Hydraulische Kraftaufnehmer mit Messumformer und elektronischer Schnittstelle sind auch zur permanenten Kontrolle von Prozessen oder Füllständen, beispielsweise in der Landwirtschaft, in der industriellen Fertigung oder bei der Energieerzeugung einsetzbar