Der Fortschritt in der gegenwärtigen Prüfstands- und Produktionstechnik spielt sich nicht nur bei den dort eingesetzten Messverstärker- und Softwaresystemen ab. Auch die Sensorik muss bei großen Trends ihren Innovationsbeitrag leisten – dazu gehören der Bedarf nach kürzeren Rüstzeiten und höherer Flexibilität bei Tests sowie in der Test-Automatisierung.
Am Beispiel der Messgröße Kraft zeigt sich, wie die jüngste Generation DMS-basierter Aufnehmer veränderte Anforderungen im Prüffeld und Prüfstand erfüllen kann. Die Entwicklung der Kraftaufnehmer in den vergangenen Jahren hat präzisere Sensoren hervorgebracht, die gleichzeitig robust, anwenderfreundlich, leicht konfigurierbar und wirtschaftlich in der Anschaffung sind.
Der Innovations-Trend 1 ist höhere Genauigkeit. Ein Mehr an Präzision rentiert sich sofort im Prüfstand – und zwar durch die Erweiterung des möglichen Messbereichs. Die Genauigkeit der Sensoren ist wirtschaftlich sehr interessant. Der Grund hierfür ist, dass sich der nutzbare Messbereich – also der Einsatzbereich der Sensoren bei einer gegebenen Genauigkeitsforderung – mit verbesserter Sensorgenauigkeit erweitert.
Grundlage ist der Sensor S2M von HBM, ein Industrie-Kraftaufnehmer, der in hohen Stückzahlen gefertigt wird. Der Vergleich erfolgt mit dem Vorgängermodell, dem S2. Mit dem nach aktuellem Stand der Technik aufgebauten S2M lässt sich bei gegebenem Messunsicherheitsbudget ein wesentlich weiterer Messbereich erreichen.
Rechengrundlage ist eine Kraftmessung im Teillastbereich beider Sensoren. Messzeit ist 30 min, die Temperaturänderung während der Messung wurde mit 20 K angenommen. Der Messbereich des Sensors ist 500 N. Folgende Einflussgrößen wurden beachtet: Linearität, Temperaturkoeffizienten von Nullpunkt und Kennwert, Hysterese und Kriechen.
Folglich kann ein Sensor mit einem Messbereich von 500 N eingesetzt werden, um Kräfte um die 20 N präzise zu bestimmen. Dieser Vorteil lässt sich in zwei Richtungen nutzen:
- Um die Überlastfähigkeit einer Messkette zu verbessern, kann ein Sensor mit größerer Nennkraft verwendet werden. Die Messkette wird robuster. Bei Einsatz moderner Sensoren ist die Unsicherheit sehr gering.
- Werden die Sensoren in einem größeren Messbereich eingesetzt, lässt sich die Vielfalt an verwendeten Modellen reduzieren.
- Innovations-Trend 2 ist die Bereitschaft für extreme Umweltbedingungen. Immer häufiger wird der Einsatz von Produkten in extremen Umweltbedingungen simuliert. Nicht nur ein ultra-robustes Messverstärkersystem ist hier von Vorteil, sondern auch Sensoren, die „in dieser Liga mitspielen“.
Hermetisch dicht verschweißte Sensoren für den Einsatz bei extremen Umweltbedingugen
Inzwischen stehen für die meisten Messgrößen hermetisch dicht verschweißte Sensoren zur Verfügung, die die hohen Anforderungen an die Robustheit erfüllen. Herausforderungen bestehen noch bei sehr kleinen Kräften bis 500 N. Die hohe Schutzart IP68 ist durch einen Tauchtest über 100 h in 3 m Wassersäule nachgewiesen und als Serienstandard erhältlich.
Moderne Edelstähle bewähren sich sowohl durch Korrosionsfestigkeit als auch durch Federeigenschaften. Hersteller wie HBM garantieren so die Verfügbarkeit der Kombination aus Edelstahl, IP68, hermetisch dicht verschweißtem Sensorgehäuse und der Genauigkeitsklasse 0,02. (Genauigkeitsklassen gemäß HBM-Standards liegen in ihren Anforderungen deutlich über allgemeinen Marktstandards.)
Bei sehr kleinen Kräften bis 500 N ist der Einsatz 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. Die Feuchteempfindlichkeit muss daher über die Konstruktion der Dehnungsmessstreifen verbessert werden.
Polyetheretherketon (PEEK) als DMS-Trägermaterial nimmt beispielsweise nur in sehr geringem Maße Feuchtigkeit auf und erweist sich daher als sehr günstig. Die Beeinflussung solcher Kraftaufnehmer durch Feuchteschwankungen ist für sehr viele Anwendungsfälle ausreichend, auch wenn die Unempfindlichkeit komplett gekapselter Sensoren nicht erreicht wird.
Innovations-Trend 3 ist eine hohe Flexibilität. Moderne Kraftaufnehmer werden inzwischen exakt auf die Anforderungen des Kunden hin fast fertig für den Einbau geliefert. Die Ansprüche an die Flexibilität des Sensors steigen erheblich. Um Rüstzeiten weiter verkürzen zu können, erwarten Prüfstandstechniker verschiedenste Krafteinleitungen, Kalibrierungen, Kabellängen oder bereits ab Werk verfügbare fest montierte Stecker.
Kraftaufnehmer mit modularen Konzepten ermöglichen die individuelle Konfiguration
Moderne Kraftaufnehmer antworten auf diese Herausforderung mit einem modularen Konzept. Mittlerweile ist fast jeder Kraftaufnehmer von HBM auch individuell konfigurierbar verfügbar – mit zahlreichen Optionen hinsichtlich Steckern und Kabeln. In Summe ergibt dies für einen Kraftaufnehmer vom Typ C10 insgesamt 2304 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten in seiner Konfiguration!
In den vergangenen Jahren ist auch der Bedarf an Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) stark gestiegen. TEDS bedeutet: Ein eigentlich passiver Sensor enthält einen kleinen Speicherchip, aus dem die Sensordaten ausgelesen werden können. Entsprechende Verstärker vorausgesetzt, entfällt mit dieser Technik das Parametrieren der Messkanäle, und die Fehleranfälligkeit sinkt.
Innovations-Trend 4 sind große Kräfte. Da technische Geräte oft immer größer werden, gibt es neben den Serienprodukten bis 5 MN (bei HBM) inzwischen Sonderlösungen bis 20 MN. Dies gilt zum Beispiel für Schiffe oder Windkraftanlagen. Beispielsweise entstehen im Betrieb von Schiffen oder Windkraftanlagen größere Kräfte, die im Versuch nachgewiesen werden müssen.
Die im Feld verwendeten Kraftsensoren müssen immer kalibriert werden, doch sind die Kalibriermöglichkeiten für große Kräfte eingeschränkt. Grundsätzlich werden zum Kalibrieren solch großer Kräfte eine Kraftquelle – etwa ein hydraulischer Zylinder – sowie eine Referenzkraft-Messeinrichtung verwendet.
Dabei hängt die Genauigkeit der Kalibrierung von der Präzision des Referenz-Kraftaufnehmers ab. HBM hat daher sogenannte Build-up-Systeme mit drei zusammengeschalteten Kraftaufnehmern entwickelt. Solche Systeme werden in der Kalibrierung, aber auch in zahlreichen Forschungsprojekten eingesetzt.
Von den Eigenschaften kleiner einzelner Sensoren auf das Verhalten des gesamten Systems schließen
Ziel ist, von den Eigenschaften kleiner einzelner Sensoren auf das Verhalten des gesamten Systems schließen zu können. So könnten drei Sensoren mit kleinerer Nennkraft sehr genau gemessen werden, um dann ein System zu entwickeln, das die dreifache Nennkraft aufweist. Da letztlich der Einsatz von Kraftmesstechnik in Prüfaufgaben mit ausreichend präziser Kalibrierung ermöglicht wird, werden diese Forschungen von der EU gefördert. Die Nennkraft der bisher gelieferten Systeme liegt zwischen 60 kN und 10 MN. ■
Der Referent
Thomas Kleckers
Produktmanager Kraftmesstechnik
HBM Test and Measurement
Das Unternehmen
Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM Test and Measurement) wurde 1950 in Deutschland gegründet. Seitdem hat sich das Unternehmen zu einem weltweiten Technologie- und Marktführer im Bereich Messtechnik entwickelt. Heute bietet das 1800-Mitarbeiter-Unternehmen Produkte für die gesamte Messkette von Sensoren über Elektronik bis zur Analyse- und Simulations-Software und entsprechender Dienstleistungen. HBM verfügt über Produktionsstandorte in Deutschland, USA, China und Portugal und ist weltweit in über 80 Ländern vertreten.
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