Nichtlinearität 101

Wenn wir über die Messung von Kraft oder Gewicht sprechen, gehen wir von einer linearen Beziehung zwischen der ausgeübten Kraft und dem Ausgangssignal aus. Bei einer hochwertigen Wägezelle ist dies das Ziel. In der Realität ist diese Beziehung jedoch selten eine perfekte Gerade. Die Nichtlinearität ist eine Genauigkeitsspezifikation einer Wägezelle, die diese Abweichung quantifiziert.

Stellen Sie sich vor, Sie würden die Ausgabe einer Wägezelle (z. B. Spannung) gegen die ausgeübte Kraft (in Pfund oder Kilogramm) auftragen. Eine perfekte gerade Linie, die den Ausgang ohne Last (die Mindestlast) mit dem Ausgang bei maximaler Nennlast (der Höchstlast) verbindet, ist die ideale Reaktion. Diese Linie stellt das dar, was wir von einem perfekt linearen Sensor erwarten würden. Die tatsächliche Reaktion ist die Kurve, die Sie aus den realen Messungen erhalten. Es handelt sich um den tatsächlichen Ausgang der Wägezelle an verschiedenen Punkten der ausgeübten Kraft.

Nichtlinearität ist die algebraische Differenz zwischen einem Punkt auf der tatsächlichen Antwortkurve und dem entsprechenden Punkt auf der idealen Geraden. Diese Differenz wird in der Regel als Prozentsatz des Vollausschlags (FS) der Wägezelle ausgedrückt.

Warum es wichtig ist, Nichtlinearität zu verstehen

Die Nichtlinearität ist eine entscheidende Spezifikation, da sie sich direkt auf die Genauigkeit Ihrer Messungen auswirkt. Eine Wägezelle mit einem hohen Nichtlinearitätsprozentsatz liefert ungenaue Messwerte, insbesondere an den Zwischenpunkten ihres Messbereichs. Beispielsweise kann eine Wägezelle mit einer Nichtlinearität von 1 % bei ihrer minimalen und maximalen Belastung sehr genau sein, aber ihr Messwert bei 50 % ihrer Kapazität kann erheblich abweichen.

Die Messung der Nichtlinearität ist Teil eines umfassenden Charakterisierungsprozesses. Während die ideale Definition alle Punkte berücksichtigt, ist es üblich, diesen Wert an einigen wenigen spezifischen Punkten zu messen, häufig bei 40 % bis 60 % des Skalenendwerts. Dieser Bereich wird gewählt, weil er typischerweise den Punkt darstellt, an dem die maximale Abweichung von der Linearität auftritt. Der Wert wird dann als Prozentsatz des Skalenendwerts (%FS) angegeben. Ein niedrigerer Prozentsatz weist auf eine hochwertigere, linearere Wägezelle hin, die wiederum über ihren gesamten Betriebsbereich genauere Messungen liefert.

Es ist leicht, Nichtlinearität mit einer anderen wichtigen Spezifikation zu verwechseln: Hysterese. Beide beziehen sich zwar auf die Messgenauigkeit, beschreiben jedoch unterschiedliche Phänomene:

• Nichtlinearität: Bezieht sich auf die Abweichung von einer geraden Linie während eines einzelnen, kontinuierlichen Belastungszyklus (z. B. von Null bis zur Volllast).
• Hysterese: Bezieht sich auf den Unterschied in der Leistung an einem bestimmten Lastpunkt, wenn Sie die Last erhöhen, im Vergleich zu dem Punkt, an dem Sie die Last verringern.

Eine Wägezelle kann eine geringe Nichtlinearität, aber eine hohe Hysterese aufweisen und umgekehrt. Für hochpräzise Anwendungen benötigen Sie eine Wägezelle, die sich in beiden Spezifikationen auszeichnet.

Technische Tipps von Wägezellenentwicklern

• In den Datenblättern gibt es eigentlich keinen Wert für die „Genauigkeit“.
• Die Genauigkeit wird durch die Leistung angegeben, die als maximale Fehlerquote für SEB, Nichtlinearität, Hysterese, Nichtwiederholbarkeit, Kriechen, Seitenlastempfindlichkeit und Exzenterlastempfindlichkeit definiert ist.
• Wenden Sie die Spezifikationen entsprechend der Anwendung an, um sicherzustellen, dass Sie den richtigen Sensor für Ihre Anforderungen auswählen.
• Beachten Sie, dass %FS, %RO, %, %/°F zeitbezogene Spezifikationen sind.

Durch das Verständnis der Nichtlinearität können Sie die Datenblätter von Wägezellen besser interpretieren und den richtigen Sensor für Ihre Anwendung auswählen, wodurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit Ihrer Kraft- und Gewichtsmessungen gewährleistet wird.