Kraftaufnehmer Sensorik-Trends in der Prüfstandtechnik

Sensoren spielen bei der Konzeption und Realisierung von Prüfständen und Testsystemen eine entscheidende Rolle: sie sind die Schnittstelle zum Prozess. Verbesserte Technik, erhöhte Flexibilität und gute Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen erfüllen die von den Anwendungen gestellten Forderungen. Zu Beginn dieses Jahrtausends wurde nicht selten das Ende der Weiterentwicklung von Kraftaufnehmern auf der Basis von Dehnungsmessstreifen vorausgesagt. Die Dehnungsmessstreifen-Technik wird seit den 1950er Jahren in Deutschland industriell eingesetzt.

Ein Dehnungsmessstreifen (DMS) besteht aus auf einem Kunststoffträger applizierten metallischen Leitern, die bei einer Messung gedehnt oder gestaucht werden. DMS klebt man bei der Herstellung von Kraftaufnehmern auf den Federkörper. Die Messung der Kraft erfolgt nun nach vier physikalischen Prinzipien, die seriell aufeinander wirken:

• Die eingeleitete Kraft zieht eine mechanische Spannung im Federkörper nach sich

• Nach dem Hookeschen Gesetz sind die mechanischen Spannungen und die Dehnungen im elastischen Bereich der Werkstoffe (dieser Bereich wird beim Design von Kraftaufnehmern genutzt) linear proportional miteinander verbunden

• Die aufgeklebten DMS wandeln die Dehnung basierend auf einem linearen Zusammenhang in eine Widerstandsänderung um (Thomson-Effekt)

• Unter Anwendung der Wheatstoneschen Brückenschaltung werden die Widerstandsänderungen in eine messbare elektrische Spannung umgesetzt

Da alle Zusammenhänge linear miteinander verknüpft sind, ist letztendlich auch der Zusammenhang zwischen eingeleiteter Kraft und Ausgangssignal linear. Inzwischen können DMS auf kleinem Bauraum hohe Widerstände realisieren. Moderne Werkstoffe wie Polyetheretherketon (PEEK), die als Trägermaterialien eingesetzt werden, nehmen nur sehr wenig Feuchte auf. Dies ist ein wichtiges Kriterium, da Feuchtigkeit den Isolationswiderstand beeinflusst und damit die Messung verfälscht.

Immer bessere Genauigkeit

Die Genauigkeit der Sensoren ist von hohem wirtschaftlichem Interesse. Der Grund dafür ist, dass sich der nutzbare Messbereich, also der Einsatzbereich der Sensoren bei einer gegebenen Genauigkeitsforderung, mit verbesserter Sensorgenauigkeit erweitert. Ein Beispiel sei der Kraftsensor S2M, ein Industriekraftaufnehmer, der in hohen Stückzahlen gefertigt wird. Im Vergleich zum Vorgängermodell sind die Einzelfehler um mehr als dei Hälfte eingeschränkt worden, so dass Messungen bis auf 1 % der Nennkraft möglich sind. Mit einem 500N Sensor lassen sich 5 N problemlos messen- passende Elektronik vorausgesetzt.

Umweltbedingungen

Inzwischen stehen hermetisch dicht verschweißte Sensoren zur Verfügung, die die hohen Anforderungen an die Robustheit erfüllen. Die hohe Schutzart IP68 ist durch einen Tauchtest über 100 Stunden in drei Meter Wassersäule nachgewiesen und als Serienstandard erhältlich. Moderner Edelstahl bewährt sich sowohl durch Korrosionsfestigkeit als auch durch Federeigenschaften. Hersteller wie HBM garantieren so die Verfügbarkeit der Kombination aus Edelstahl, IP68 und der Genauigkeitsklasse 0,02.

Bei sehr kleinen Kräften bis 500 N ist die Verwendung von Stahl als Federkörpermaterial diffizil. Der geringere E-Modul von Aluminium ist hier von Vorteil. Allerdings muss dabei auf einen Schutz der Dehnungsmessstreifen durch Silikon zurückgegriffen werden. Polyetheretherketon (PEEK) als DMS-Trägermaterial nimmt nur in sehr geringem Maße Feuchtigkeit auf und erweist sich daher als günstig. Die Beeinflussung solcher Kraftaufnehmer durch Feuchteschwankungen ist für sehr viele Anwendungsfälle ausreichend, auch wenn die Unempfindlichkeit komplett gekapselter Sensoren nicht erreicht wird.

Große Kräfte

Da technische Geräte immer mehr an Größe zunehmen, gibt es neben den Serienprodukten bis 5 MN (bei HBM) inzwischen Sonderlösungen bis zu 20 MN. Verwendung finden solche Sensoren im Schiffsbau und beim Test von Windkraftanlagen. Im Betrieb von Schiffen oder Windkraftanlagen entstehen größere Kräfte, die im Versuch nachgewiesen werden müssen. Kräfte von 10 N bis 20 MN sind mit der DMS-Technik nachweislich gut messbar, daher sind die technischen Probleme weniger in der Aufnehmertechnik als in der Kalibrierung zu suchen. Die physikalische Größe Kraft wird immer noch auf das Urkilogramm in Paris als Normal zurückgeführt, also auf einen Bruchteil im Vergleich zu heutigen Messgrößen. Build-Up-Systeme sollen hier Abhilfe schaffen. Diese Kraftmesssysteme bestehen aus drei einzelnen Kraftaufnehmern mit einer Nennkraft von beziehungsweise je 2 MN, Systemnennkraft ist also 6 MN, und arbeiten mechanisch parallel. Diese drei Sensoren können durch ihrer relativ kleinen Nennkraft sehr genau kalibriert werden. Sie werden zusammengeschaltet und können so mit hoher Präzision auf die größere Systemkraft rückschließen.