Build-Up-System

Auszüge aus dem Handbuch der Physikalisch-Technischen Kraftmessung mit freundlicher Genehmigung des Autors Dieter Theiss

Sondergebiete der Kraftmessung
Meßtechnik und Mehrkomponenten Kraftaufnehmer
Die Meßtechnik mit mehreren Kraftaufnehmern

Enführung in die meßtechnische Situation
Aus dem weiten Spektrum der Kraftmeßtechnik sind viele Aufgaben nur durch den Einsatz eines Verbundes von mehreren Kraftaufnehmern lösbar. Im Gegensatz zur Zugkraftmessung, wo oftmals ein Kraftaufnehmer ausreicht, z.B. bei der Messung in Seilen oder Zugstangen, benötigen Kraftmeßsysteme zur Messung von Druckkräften in der Regel mehrere Kraftaufnehmer. Die Ursache liegt im wesentlichen in der Forderung nach Stabilität der Kraftmeßanordnung und der oftmals unklaren Wirklinie der zu messenden Kraft.

In der Praxis wird das kraftübertragende Bauteil auf mehrere Punkte abgestützt. Beispiele dafür sind die Aufteilung von Achskräften auf zwei Lager oder die Verteilung des Behältergewichtes auf drei oder mehrere Auflagerpunkte. In diesen Fällen tritt eine Verzweigung des Kraftflusses ein. Da die Kraftverteilung meist nicht bekannt ist und sich die Kraftwirklinie verschieben kann, müssen die Kräfte in jedem Teilkraftfluß gemessen werden. Die Gesamtkraft in der interessierenden Wirkrichtung erhält man durch Addition der entsprechenden Signale der Einzelkräfte. Um eine aufgaben-gerechte Funktion und Genauigkeit der Meßanordnung zu gewährleisten, ist der Einsatz von Kraftaufnehmern gleicher Nennkraft Fn mit kalibriertem Ausgangssignal Ua also gleichem Übertragungskoeffizienten Ua/Ue anzustreben.

Bei der Messung von Gewichtskräften, d.h. in der Wägetechnik, spricht man nach VDI/VDE 2637 von Wägezellen. Der Begriff „Übertragungskoeffizient“ heißt dort „Kennwert C“. Der vektorielle Charakter der physikalischen Größe „Kraft“ muß in jedem Falle bedacht werden. Es gibt noch keine idealen, nur in Meßrichtung empfindlichen Kraftaufnehmer. Die bekannten Meßprinzipien und Konstruktionen weisen diesbezüglich große Unterschiede auf. Daher ist auch besonderer Wert auf die Konstruktionsziele der Krafteinleitung zu legen. Bei Messungen höherer Genauigkeit ( < 5 ‰) sind angepasste Einbauhilfsteile des Kraftaufnehmerherstellers zur Vermeidung bzw. Verringerung von Meßfehlern zu empfehlen.

Störeinflüsse wie z.B. Querkräfte und Momente führen zu parasitären Wirkungen auf die Kraftaufnehmer und haben Pseudo-Messsignale zur Folge. Eine Trennung in Nutz- und Störsignal ist nicht möglich. Ist das System gefesselt, so entstehen als Reaktion darauf bei eingeprägten Querverschiebungen zum Teil erhebliche Querkräfte, z.B. bei Wärmeausdehnungsvorgängen. Eine Entkoppelung des Lasteinleitungsteiles in Querrichtung vermeidet derartige Fehler. Weicht die Wirkrichtung der zu messenden Kraft von der Meßrichtung des Kraftaufnehmers ab, so muß für Messungen hoher Genauigkeit konstruktiv eine Komponentenzerlegung erreicht und die jeweilige Einzelkomponente gemessen werden (s. Abschn. 4.2 Mehrkomponentenmessung). Neben den konstruktiv bedingten Kraftverzweigungen gibt es noch eine Reihe von meßtechnischen Sonderfällen, die ebenfalls den Einsatz von mehreren separaten Kraftaufnehmern verlangen. Auf diese Weise entstehen somit kraftmeßtechnische Einheiten, die für sich wieder als in sich geschlossene Meßelemente (Eingangsgröße Kraft – Ausgangsgröße elektrisches Signal) angesehen werden können. Anwendungen hierzu sind Dreier-Anordnungen zur Erweiterung des Kraftmeßbereiches in Prüfmaschinen und Normalbelastungsmaschinen mit Hilfe von Meister-Kraftaufnehmern oder die Kopplungzweier Kraftaufnebrner für extrem genaue Zug-Druckkraftmessungen. Aufgrund der überragenden Bedeutung des Kraftmeßverfahrens mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen (DMS) beziehen sich alle hier genannten Betrachtungen speziell auf DMS-Kraftaufnehmer; dies gilt insbesondere auf Genauigkeitsangaben und die elektrischen Zusammenschaltungs-Techniken. Sinngemäß gelten die nachfolgenden Ausführungen natürlich auch für alle anderen Wandlerprinzipien.

Kombination beim Einsatz mehrerer Kraftaufnehmer

Kraftaufnehmer sind elektromechanische Wandler mit der mechanischen Eingangsgröße „Kraft“ und einer elektrischen Ausgangsgröße. Für eine Kombination von mehreren
• Kraftaufnehmern ist prinzipiell zu unterscheiden zwischen
• eingangs-seitiger, d.h. mechanischer und
• ausgangsseitiger, d.h. elektrischer Zusammenschaltung.

Beides läßt sich parallel oder in Serie ausführen. DMS-Kraftaufnehmer sind als sehr steife, elastische Federn zu betrachten und wie diese mechanisch miteinander verbunden. Parallelschaltungen dienen dabei der Messung von Teilkraftanschlüssen in Kraftverzweigungen. Beispiel: Verteilung der Kraft auf mehrere Stützkräfte mit parallel wandernder Kraftwirklinie, siehe Abschnitt. 4.1.4 (Änderung der Kraftverteilung) Serienschaltungen finden nur selten Anwendung, da alle Kraftaufnehmer von derselben Kraft beaufschlagt werden. Beispiel: Einsatz von mehreren Kraftaufnehmern aus Sicherheitsgründen (Redundanz) Anwendungstechnisch ist die Frage der elektrischen Zusammenschaltung nicht von primärer Bedeutung.

Elektrisch sind die DMS im Kraftaufnehmer als Wheatstone-Brücke verbunden und können damit sowohl parallel als auch seriell miteinander zusammengeschaltet werden. Die Schaltungsart der Speiseseite wird dabei durch die Wahl zwischen Konstantstrom- oder Konstantspannungsbetrieb bestimmt. Eine eingeprägte Spannung, gemeinsam für alle Kraftaufnehmer, bedingt eine Parallelschaltung der Eingangsseite, ein eingeprägter Strom erfordert eine Reihenschaltung. Die weitverbreiteste ausgangsseitige Schaltung (Messeite) ist, insbesondere bei Gleichspannungsspeisung, die Parallelschaltung. Eine Reihenschaltung erfordert galvanisch getrennte Spannungsquellen, was bei Gleichspannung einen erheblichen Aufwand erfordert. Bei Wechselspannungsspeisung wird dies durch getrennte Sekundärwicklungen erreicht. Die sicher einfachste elektrische Ermittlung des Meßsignals ist die Messung der ausgangsseitigen Leerlaufspannung bei Speisung mit Konstantspannung. Oie heute verfügbaren Meßverstärker für DMS-Anwendungen haben einen so hohen Eingangswiderstand, daß die Kraftaufnehmer quasi im Leerlauf (Meßstrom vernachlässigbar klein) betrieben werden. Auf die sonst möglichen Betriebsarten zur Messung des Ausgangssignals bei DMS-Kraftaufnehmern soll hier nicht eingegangen werden. Die mechanische Anordnung und die elektrischen Schaltungsmöglichkeiten lassen sich beliebig und voneinander unabhängig kombinieren. Die für den vorliegenden Einsatzfall günstigste Kombination wird dabei jeweils durch die meßtechnische Aufgabenstellung und die praktischen Möglichkeiten der elektrischen Meßtechnik des Anwenders bestimmt.

Mechanische und elektrische Parallelschaltung

Nur Druck Kraftsensor bis 450kN

Der überwiegende Teil aller Aufgabenstellungen in derKraftmeßtechnik, beidenen mehrere Kraflaufnehmer einzusetzen sind, läßt sich mit der vollständigen Parallelschaltung, d.h. sowohl mechanisch als auch elektr isch (eingangs- und ausgangsseitig) lösen. Grundgedanke dabe i ist, die Summe der in Meßrichtung wirkenden Teilkräfte durch Addition der einzelnen Ausgangssignale schaltungstechnisch zu ermitteln, um ein der Gesamtkraft proportionales Ausgangssignal zu erhalten. Wichtig für eine fehlerfreie Summation ist, dass alle Kraftaufnehmer gleiche Übertragungskoeffizienten C (Meßempfindlichkeit) und Innenwiderstände Ri besitzen (näheres. Abschn. 4.1.4). Eine Verschiebung der Wirklinie, d.h. eine Veränderung des Kraftangriffspunktes innerhalb der Unterstützungsfläche, führt dann zu keinen störenden Fehlern. DMS-Kraftaufnehmer arbeiten in der Regel mit einer vollständigen symmetrischen Brückenschaltung. Der Innenwiderstand des Kraftaufnehmers RiKA ist dann unabhängig von dem Innenwiderstand der Speisequelle Rie und den eingangsseitigen Kompensationswiderständen RKe; er wird nur noch von den Brückenwiderständen selbst bestimmt. Moderne Präzisions-Kraftaufnehmer besitzen in der Regel einen normierten Innenwiderstand mit sehr kleiner Toleranz ( < 200 ppm).

Anwendungsbeispiel für eine mechanische und elektrische Parallelschaltung mehrerer Kraftaufnehmer

Für Präzisionsmessungen großer Kräfte verwendet man aus Kostengründen oftmals hydraulische Prüfmaschinen mit sogenannten Meisterzellen, also besonders präzise, zeitlich stabile und kriecharme Kraftaufnehmer. Die Meßqualität ist heute so hoch, daß derartige Maschinen als Normalbelastungsmaschinen für Meßgenauigkeiten besser 2 · 10-4, bezogen auf den Istwert, eingesetzt werden. Als Meisterzelle bietet sich die stabile und statisch bestimmte Dreier-Anordnung von einzeln kalibrierten Präzisionskraftaufnehmern an. Es handelt sich quasi um eine Meßplattform. Die Konstruktion ist als „build up“-System bekannt geworden [3] und bietet mehrere Vorteile:

• Meßbereichserweiterung um den Faktor 3 gegenüber der Nennkraft der Einzei-KA,
• die Einzel-KA lassen sich auf Normalbelastungsmaschinen mit direkter Massewirkung prüfen und kalibrieren [4),
• keine Genauigkeitseinbuße gegenüber Einzel-KA,
• keine Zentrierprobleme des Prüflings; außermittige Krafteinleitungen bewirken keine relevanten Meßfehler,
• statisch bestimmtes System,
• stabile Unterstützung des Prüflings,
• keine Kraftnebenschllisse, da selbstzentrierendes System,
• mechanischer Einsatz und elektrisches Ausgangssignal wie bei einem Einzei-KA,
• für Kräfte ab etwa 500 kN kann sich ein Kostenvorteil gegenüber Einzelkraftaufnehmern ergeben.

Die drei Präzisions-Kraftaunehmer sind auf einem Teilkreis unter 120° versetzt angeordnet. Die Mittelpunkte bilden ein gleichseitiges Dreieck. In dessen Schwerpunkt, der identisch mit dem Teilkreismittelpunkt ist, befindet sich im Idealfall die Wirkungslinie der Prüfkraft Bild 4.5 zeigt die Kräfteaufteilung auf die Einzel-Kraftaufnehmer.

Kraftaufnehmer

Da das System nur auf drei Punkten in der Ebene steht, ist es statisch bestimmt, d.h., die Kräftezerlegung ist unabhängig von Durchbiegungen und Verformungen und gewährleistet damit eine weitgehend gleichmäßige Auslastung. Um jeglichen Kraftnebenschluss auszuschließen, sollten solche Dreier-Anordnungen unbedingt mit selbst zentrierenden Krafteinleitungsteilen versehen sein. Eine wichtige Forderung an die Dreier-Anordnung ist die ortsabhängige, das Messignal nicht beeinflussende Krafteinleitung in das System, d.h., eine außerhalb des Systemschwerpunkts wirkende KraftFex soll das gleiche Ausgangssignal wie eine gleich große, im Dreieck-Mittelpunkt wirkende Kraft Fz ergeben. Bedingt durch den Einsatz von Druck-Kraftaufnehmern soll die Kraftwirkungslinie innerhalb der Dreiecksfläche bleiben. Elektrisch sind die drei Kraftaufnehmer parallel geschaltet.

Anwendungsbeispiel für die mechanische Reihenschaltung mehrerer Kraftaufnehmer

Angewendet wird das für die Prüfung von Kraftaufnehmern und Wägezellen im sogenannten Meisterzellenbetrieb. Hierbei werden Meisterzelle und Prüfling mechanisch in Reihe geschaltet. Elektrisch ist eine getrennte Auswertung der Einzelmeßsignale erforderlich, da im Falle einer Zusammenschaltung keine Signaltrennung der Meisterzelle und des Prüflings mehr möglich ist. Eine Zuordnung der wirkenden Kraft über das Meisterzellensignal ist damit nicht mehr gegeben. Eine Einzelmeßsignal-Auswertung wird auch für die mechanische Reihenschaltung von zwei gleichen Kraftaufnehmern zum Zwecke der Meßsicherheit (Redundanz) benötigt. Ein weiterer Einsatzfall für die mechanische Reihenschaltung besteht darin, mehrere Kraftaufnehmer (meist zwei) mit unterschiedlicher Nennkraft einzusetzen.

Klemmbox oder Junction-Box

Damit soll erreicht werden, daß in einem von dem Kraftaufnehmer mitgrößerer Nennkraft vorgegebenen Meßbereich kleinere Kräfte mit höherer Auflösung bzw. Meßempfindlichke it gemessen werden können. Bei Überschreitung des Nennkraftbereiches des „kleineren“ Kraftaufnehmers muß in der Regel ein Überlastungsschutz, der parallel dazu liegt, ansprechen. Oder der Kraftaufnehmer ist mechanisch entsprechend überlastbar ausgelegt, das Meßsignal für F > Fn jedoch fehlerbehaftet Bei Erreichen der Meßgrenze wird auf das Ausgangssignal des „größeren“ Kraftaufnehmers umgeschaltet. In diesem Fall ist eine elektrische Zusammenschaltung der Kraftaufnehmer funktionsmäßig auch nicht möglich. Die Meßsignale jedes Kraftaufnehmers sind separat zu verarbeiten. Der lückenlose Übergang von einem Meßbereich in den anderen ist schwierig; es sei denn, daß mit zwei getrennten Meßverstärkern gearbeitet wird. Allerdings bleibt eine gewisse Unstetigkeit infolge Hystereseeffekt bestehen.

Elektrische Zusammenschaltung mehrerer Kraftaufnehmer

8-kanaliger Messverstärker für Kraft und Drehmoment Sensoren. USB und Analogausgänge als Standard. Optional zusätzlich mit CANbus oder EtherCat Feldbus

Eine elektrische Zusammenschaltung von mehreren Kraftaufnehmern erfolgt immer dann, wenn aus Teilkraftmessungen eine Summenkraft-Ermittlung erfolgen soll. Das ist bei allen mechanisch parallelgeschalteten Kraftaufnehmern der Fall. Bedingt durch die galvanische Verbindung zwischen Speise- und Meßsignalspannungsseite bei DMS-Kraftaufnchmern sind nur wenige der prinzipiellen Zusammenschaltungsmöglichkeiten einsetzbar. Überwiegend wird die Parallelschaltung, und zwar eingangs- und ausgangsseitig, eingesetzt. Bei Präzisionsmessungen ist auf gleiche Übertragungskoeffizienten und Innenwiderstände zu achten. Um eine Belastung der Kraftaufnehmer zu vermeiden (Leerlaufbetrieb ), soll der
Eingangswiderstand der elektronischen Auswerteeinrichtungen sehr hochohmig sein (> 1 Gn). Moderne Digitalvoltmeter (für Gleichspannungsmessung) oder Trägerfrequenz Meßverstärker erfüllen diese Forderung um ein Vielfaches. Mechanisch in Serie geschaltete Kraftaufnehmer werden in den meisten Fällen elektrisch nicht zusammengeschaltet Die Meßsignale werden getrennt verarbeitet. Entweder wird jedem Kraftaufnehmer eine eigene Auswerte-Elektronik zugeteilt, oder es wird jedes Meßsignal sequentiell abgetastet (Scanning-Verfahren) und einem gemeinsamen Auswertegerät zugeführt.

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Interfaceforce – Build-Up Systeme

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