Kraftaufnehmer, Kraftmessdosen und die zugehörigen Verstärker sind die Grundbausteine aller Kraftmesssysteme in Industrie, Prüftechnik, Wägetechnik und Prozessregelung. Sie wandeln eine mechanische Größe (Kraft, Gewicht, Druck) über Aufnehmer, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen, in ein messbares elektrisches Signal um (mV/V, V, mA, digital). Da Kraftmessdosen in zahlreichen Bauformen, Nennlasten und Genauigkeitsklassen verfügbar sind, lassen sich maßgeschneiderte Lösungen für kundenspezifische Prüfstände, für den Einbau in Industriemaschinen, für Bauwerksüberwachung und für die industrielle Wägetechnik verwirklichen.
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Aufnehmerprinzipien
Am weitesten verbreitet ist die Kraftmessdose mit Dehnungsmessstreifen (Strain Gauge Load Cell): Draht- oder Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen sind auf einen elastischen Federkörper geklebt (Bauform S, Button, Pancake, Pin, Beam, Canister); die elastische Verformung unter Last ändert den Widerstand der Messstreifen und erzeugt ein Verstimmungssignal der Wheatstone-Brücke. Piezoelektrische Aufnehmer arbeiten mit Quarzkristallen oder piezoelektrischen Keramiken, die unter Verformung elektrische Ladung abgeben: Sie eignen sich hervorragend für dynamische Kräfte hoher Frequenz, nicht aber für länger andauernde statische Messungen. Kapazitive Aufnehmer erfassen Kapazitätsänderungen eines beweglichen elektrischen Wandlers und kommen bei hochgenauen Messungen kleiner Kräfte zum Einsatz.
Bauformen von DMS-Kraftmessdosen
Die verbreitetsten Bauformen sind: S-Form (Zug und Druck bis zu einigen kN, für Prüfstände); Pancake (flache Bauhöhe, hohe Nennlast, bis mehrere hundert kN); Button (klein, zum Einbau in Maschinen, bis in den kN-Bereich); Bending Beam (industrielle Wägetechnik, bis zu einigen Tonnen); Shear Beam (mittlere bis hohe Nennlasten); Canister (Wägen von Behältern, Silos und Fahrzeugwaagen, bis zu mehreren hundert Tonnen); Pin (Messung der Zugkraft in Seilen und Zugstangen). Jede Bauform ist auf eine bestimmte Lastrichtung ausgelegt.
Verstärker und Anzeigegeräte
DMS-Kraftmessdosen liefern Signale geringen Pegels (üblich 2 mV/V beim Endwert), die vor der Anzeige verstärkt und aufbereitet werden müssen. Eigene Verstärker liefern die stabilisierte Speisung der Wheatstone-Brücke, verstärken das Signal mit Offset und Shunt-Kalibrierung und wandeln es in ein analoges (4-20 mA, 0-10 V) oder digitales Ausgangssignal (RS-485, Modbus RTU, CAN, Profibus, Profinet). Industrieanzeigen vereinen Verstärker und Digitalanzeige mit Kalibrierfunktionen, Alarmschwellen und Datenausgabe. Sie sind das übliche Front-End von Wäge- und Prüfsystemen.
Anwendungen
Kraftmessdosen und Kraftaufnehmer werden eingesetzt in: Universalprüfmaschinen für Werkstoffe (UTM); kundenspezifischen Prüfständen (Zug-, Druck- und Ermüdungsprüfungen, produktnah in der Linie); der industriellen Wägetechnik (Tisch- und Bodenwaagen, Fahrzeugwaagen, Silos, geschlossene Behälter); dynamischen Wägesystemen (Abfüll- und Dosieranlagen, Gewichtskontrolle in der Linie); der Bauwerksinstandhaltung (Überwachung der Kräfte an Stützen, Zugstangen und Bindern); Sicherheitssystemen (kraftüberwachte Türen, Einbruchmeldung); der Robotik (Regelung von Greifkraft und Arbeitsdruck); in Sport Engineering und Biomechanik.
Kennwerte und Normen
Die wichtigsten Kennwerte einer Kraftmessdose sind: Nennlast, Genauigkeitsklasse (C3, C4, C6 für den eichpflichtigen Verkehr; Klassen 0,02 / 0,05 / 0,1 / 0,5 % v. E. für industrielle Anwendungen), Linearitätsabweichung, Hysterese, Wiederholbarkeit, Temperaturdrift (Einfluss der Temperatur auf das Ausgangssignal), Nennkennwert (mV/V), Brückenwiderstand (Ω), höchstzulässige Speisespannung und Grenzlast. Maßgebliche Normen sind OIML R60 (Kraftmessdosen für Waagen) und ISO 376 (Kalibrierung von Kraftmessdosen für Prüfmaschinen). Für Anwendungen mit zertifizierter Genauigkeit ist eine Kalibrierung nach ISO 17025 erforderlich.
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