Verständnis der Wägezellenfrequenz

Die „Frequenz“ einer Wägezelle ist nicht nur ein technischer Begriff, sondern ein Schlüsselfaktor, der bestimmt, wie effektiv und genau Ihr Sensor arbeitet.

Die Eigenfrequenz einer Wägezelle ist die Frequenz, bei der sie frei schwingt, wenn sie einer plötzlichen Kraft oder Störung ausgesetzt wird und dann ohne weitere äußere Einwirkung schwingen darf. Sie wird oft auch als „Schwingungsfrequenz“ bezeichnet.

Der Frequenzgang einer Wägezelle beschreibt ihre Fähigkeit, eine dynamische (zeitlich veränderliche) Last über einen Bereich von Frequenzen genau zu messen und zu reproduzieren. Er gibt an, wie konsistent das Ausgangssignal der Wägezelle der Eingangskraft folgt, wenn sich die Frequenz dieser Kraft ändert.

Der nutzbare Frequenzgang einer Wägezelle ist im Allgemeinen ein Bruchteil (z.B. 1/5 bis 1/10) ihrer Eigenfrequenz. Ein Überschreiten dieses Bereichs kann das Ausgangssignal sowohl in der Amplitude als auch in der Phase verzerren. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Anwendungen mit schnell wechselnden Lasten, Stößen oder Vibrationen, wie z. B. Crash-Tests, Ermüdungstests oder Materialdynamik, da eine Wägezelle mit einem für eine bestimmte Anwendung unzureichenden Frequenzgang schnelle Kraftspitzen übersehen oder erhebliche Messfehler verursachen kann.

Von grundlegenden Abtastraten bis hin zum Verständnis von Eigenfrequenzen – die Optimierung der Frequenz kann Ihre Wägezellenanwendung für Tests und Messungen erheblich beeinflussen. Lassen Sie uns einige häufig gestellte Fragen und Erkenntnisse zur Wägezellenfrequenz untersuchen.

Abtastfrequenz und Reaktion der Wägezelle

Eine häufige Frage ist, ob es eine maximale Abtastfrequenz für DMS-Kraftmesszellen gibt. Während die optimale Rate je nach Wägezellenmodell variiert, sind Hunderte von Hertz im Allgemeinen für die meisten Anwendungen ausreichend.

Wenn sich Ihre Abtastfrequenz jedoch dem Wert der Eigenfrequenz der Wägezelle nähert, der in der Regel in unseren Produktdatenblättern angegeben ist, ist es ratsam, unsere Anwendungsingenieure zu konsultieren. Ein Überschreiten der Eigenfrequenz kann zu Ungenauigkeiten führen oder sogar Schäden verursachen.

Denken Sie an die Schlagprüfung, bei der die Ingenieure eine Abtastrate von 10 Kilohertz benötigen. Die Wägezelle bestimmt zwar nicht die Abtastgeschwindigkeit, aber ihre mechanische Reaktionszeit ist entscheidend und liegt in der Regel innerhalb einer Millisekunde. Wägezellen sind passive Geräte ohne bewegliche Teile oder aktive Schaltkreise, was bedeutet, dass ihre inhärenten mechanischen Eigenschaften ihre Reaktion bestimmen. Wenn Systeme bis zum Ausfall belastet werden, ist eine Abtastung mit ein paar tausend Hertz eine gute Praxis, um Spitzenereignisse oder den genauen Punkt des Ausfalls genau zu erfassen.

Es ist auch wichtig, die Beziehung zwischen Zyklen und Kriechfehler zu beachten. Bei der Prüfung einer Wägezelle vor der Kalibrierung kommt es auf die Höhe der Belastung an, nicht auf die Dauer. Eine Prüfung mit 120 % für 10 Sekunden ist beispielsweise genauso effektiv wie eine Prüfung mit 120 % für eine Stunde, trägt aber dazu bei, die Einführung eines signifikanten Kriechfehlers zu vermeiden. Eine schnelle Überprüfung des Nullwerts nach dem Loslassen der Last kann bei schnellen Zyklen dabei helfen, einen eingeführten Kriechfehler genau zu beurteilen.

How Does Frequency Measurement Limit Load Cell Response?

Die Geschwindigkeit, mit der eine Wägezelle anspricht, ist untrennbar mit ihrer mechanischen Biegekonstruktion verbunden. Betrachten Sie jeden Sensor als eine mechanische Feder. Je steifer die Wägezelle und je geringer ihre Durchbiegung ist, desto höher ist ihre Eigenfrequenz. Diese Eigenschaft, die auf unseren Produktdatenblättern dokumentiert ist, wirkt sich direkt auf die Leistung in zyklischen Anwendungen aus. Im Allgemeinen kann ein steiferer Sensor zyklische Belastungen besser bewältigen.

Wägezellen erbringen in der Regel bei Hunderten von Hertz eine außergewöhnlich gute Leistung. Bei Zehntausenden von Hertz nimmt ihre Effektivität jedoch ab, und Standard-Kraftmessdosen sind für extrem hochfrequente Anwendungen weniger geeignet. Für die meisten Prüfprojekte, bei denen zyklische Lasten auf die Prüflinge aufgebracht werden, erfüllen LowProfile-Kraftmessdosen auf Dehnungsmessstreifenbasis die Frequenzanforderungen.

Die Eigenfrequenz verstehen: Leicht belastete vs. stark belastete Systeme

Das Konzept der Eigenfrequenz einer Wägezelle ist grundlegend für das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens.

Anwendungsfall Leicht belastet

Wenn eine Wägezelle leicht belastet wird, z. B. mit einer Waagschale oder einer kleinen Prüfvorrichtung, kann ihre dynamische Reaktion beobachtet werden, indem man ihr aktives Ende antippt und das Ausgangssignal auf einem Oszilloskop überwacht. Die Frequenz dieser Schwingung oder die Eigenfrequenz der freien Schwingung (fO) kann durch Messung der Zeit (T) für einen vollständigen Zyklus berechnet werden. Bei der Anwendung von Stößen ist äußerste Vorsicht geboten, um eine Beschädigung der Wägezelle zu vermeiden.

Die Eigenfrequenz ist ein typischer Wert, der eher als Richtwert denn als kontrollierte Spezifikation dient. Sie wird durch die Konstruktion der Wägezelle bestimmt, die effektiv als ein äquivalentes Feder-Masse-System funktioniert. Die „Feder“ stellt die Steifigkeit des dünnen Messabschnitts der Biegung dar, während die „Masse“ dem aktiven Ende der Zelle und den daran befestigten Vorrichtungen entspricht. Die Hinzufügung von Masse zum aktiven Ende der Wägezelle führt unweigerlich zu einer Verringerung der Eigenfrequenz des Gesamtsystems.

Die statische Kalibrierung entspricht einem Gleichstromparameter, während die dynamische Reaktion einen Wechselstromparameter widerspiegelt. Die Verwendung der logarithmischen Skalierung für Frequenz und Leistung ermöglicht es uns, einen breiteren Wertebereich darzustellen und gemeinsame Merkmale als gerade Linien in Diagrammen zu beobachten, was die Analyse vereinfacht. Es ist wichtig, daran zu denken, dass in den meisten Installationen die Resonanzen der Befestigungsvorrichtungen, des Prüfrahmens und des Antriebsmechanismus die Reaktion der Wägezelle häufig dominieren.

Stark belasteter Anwendungsfall

In Szenarien, in denen die Wägezelle eng in ein System mit Komponentenmassen eingebunden ist, die wesentlich schwerer sind als die Wägezelle selbst, verhält sich die Wägezelle eher wie eine einfache Feder, die die antreibenden und angetriebenen Elemente verbindet. In diesen Fällen besteht die Herausforderung für den Systementwickler in der Analyse der Wechselwirkung zwischen den Massen des Systems und der sehr steifen Federkonstante der Wägezelle.

Es gibt keinen direkten Zusammenhang zwischen der unbelasteten Eigenfrequenz der Wägezelle und den im System des Anwenders beobachteten stark belasteten Resonanzen.

Tipps zur Wägezellenfrequenz für optimale Leistung

Ein Verständnis der Wägezellenfrequenz ist für genaue und zuverlässige Messungen unerlässlich. Wenn Sie diese Faktoren berücksichtigen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Wägezelle optimal für Ihre Anforderungen funktioniert. Hier sind ein paar wichtige Tipps:

• Kennen Sie Ihre Eigenfrequenz: Überprüfen Sie immer das Produktdatenblatt auf die Eigenfrequenz Ihrer Wägezelle. Dies ist Ihre Grundlage für das Verständnis der dynamischen Grenzen.
• Passen Sie die Abtastung an die Anwendung an: Hunderte von Hertz sind in der Regel für den allgemeinen Gebrauch ausreichend. Bei Hochgeschwindigkeitsereignissen, wie z. B. Aufpralltests, kann eine Abtastung mit einigen Tausend Hertz für eine genaue Datenerfassung entscheidend sein.
• Achten Sie auf die Masse: Jede zusätzliche Masse, die dem aktiven Ende Ihrer Wägezelle hinzugefügt wird, senkt die Eigenfrequenz des gesamten Systems. Berücksichtigen Sie dies bei Ihrer Konstruktion.
• Steifer ist besser für Zyklen: Wenn Ihre Anwendung eine häufige zyklische Belastung beinhaltet, sollten Sie sich für eine steifere Wägezelle entscheiden, da diese in der Regel in diesen Szenarien besser funktioniert.

Und schließlich sollten Sie auf jeden Fall die Experten zu Rate ziehen. Wenn Sie außergewöhnliche Hochfrequenzanforderungen haben oder sich bei Ihrer Einrichtung unsicher sind, zögern Sie nicht, unsere Anwendungstechniker zu konsultieren. Sie können Ihnen maßgeschneiderte Ratschläge geben.

Laden Sie sich auf jeden Fall ein Exemplar von Interface’s Load Cell Field Guide als Referenz herunter und sehen Sie sich die illustrierten Beispiele für Frequenzen an. Schauen Sie sich auch die häufig gestellten Fragen in unserem Q&A zu den Grundlagen der Wägezellen an: