Kraftsensoren werden in Prüfständen, Pressen, Fügevorrichtungen, Maschinen und Hebezeugen eingesetzt. Die mechanische Bauform und der Messbereich stehen bei der Auswahl häufig im Vordergrund. Mindestens ebenso wichtig ist jedoch das elektrische Ausgangssignal.
Ein klassischer DMS-Kraftaufnehmer liefert meist nur wenige Millivolt und benötigt eine stabile Brückenspeisung sowie einen geeigneten Messverstärker. Ein Sensor mit 4–20 mA oder 0–10 V kann dagegen direkt an viele SPS-Analogeingänge angeschlossen werden.
Die einfachste Integration ist nicht automatisch die beste Lösung. Für hochgenaue Prüfstände kann ein unverstärktes mV/V-Signal Vorteile bieten. Für lange Leitungen und industrielle Anlagen ist 4–20 mA meist robuster. 0–10 V eignet sich besonders für kurze Wege innerhalb von Maschinen und Schaltschränken.
Dieser Beitrag erklärt die Unterschiede und zeigt, wie Kraftsensor, Messverstärker, SPS-Eingang und Kalibrierung zu einer zuverlässigen Messkette kombiniert werden.
Inhaltsverzeichnis
- Wie ein DMS-Kraftsensor arbeitet
- Was ein mV/V-Ausgangssignal bedeutet
- Wann ein Messverstärker erforderlich ist
- mV/V, 4–20 mA und 0–10 V im Vergleich
- Wann 4–20 mA die beste Wahl ist
- Wann 0–10 V sinnvoll ist
- Kraftsensor an eine SPS anschließen
- Leitung, Schirmung und Erdung richtig ausführen
- Nullpunkt und Skalierung einstellen
- Elektrische Signalprüfung und Kraftkalibrierung unterscheiden
- Typische Fehler bei der Signalauswahl
- Praxisbeispiel: Kraftüberwachung an einer Fügevorrichtung
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen zu Kraftsensor-Ausgangssignalen
Wie ein DMS-Kraftsensor arbeitet
Viele elektrische Kraftaufnehmer arbeiten mit Dehnungsmessstreifen, kurz DMS. Sie werden auf einem elastisch verformbaren Messkörper angebracht und zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet.
Wirkt eine Zug- oder Druckkraft auf den Messkörper, entstehen sehr kleine elastische Verformungen. Dadurch verändern sich die Widerstände der DMS. Die Messbrücke erzeugt eine elektrische Differenzspannung, die proportional zur aufgebrachten Kraft ist.
Der Sensor benötigt dafür eine Brückenspeisung. Übliche Messketten bestehen aus:
- Kraftaufnehmer mit DMS-Vollbrücke
- stabiler Speisespannung
- Messverstärker oder DMS-Eingang
- Anzeige, Datenerfassung oder SPS
Die mechanische Montage bleibt unabhängig vom Ausgangssignal entscheidend. Querkräfte, Biegemomente, eine schiefe Krafteinleitung oder eine ungeeignete Auflagefläche können größere Fehler verursachen als die nachgeschaltete Elektronik.
Was ein mV/V-Ausgangssignal bedeutet
Die Empfindlichkeit eines DMS-Kraftaufnehmers wird häufig in Millivolt pro Volt angegeben. Ein Sensor mit einer Kennempfindlichkeit von 2 mV/V liefert bei Nennkraft eine Ausgangsspannung von 2 mV je Volt Brückenspeisung.
Bei einer Speisespannung von 10 V ergibt sich:
2 mV/V × 10 V = 20 mV bei Nennkraft
Bei halber Nennkraft beträgt das ideale Ausgangssignal ungefähr 10 mV. Im unbelasteten Zustand liegt es nahe null, wobei ein kleiner Nullpunktversatz normal sein kann.
Das Verhältnis mV/V hat den Vorteil, dass das Sensorsignal auf die tatsächliche Speisespannung bezogen ist. Wird die Brücke mit 5 V statt mit 10 V gespeist, halbiert sich zwar die absolute Ausgangsspannung, die Kennempfindlichkeit in mV/V bleibt jedoch gleich.
Ein mV/V-Sensor eignet sich besonders, wenn:
- eine hohe Messgenauigkeit gefordert ist
- eine schnelle dynamische Erfassung benötigt wird
- bereits ein geeigneter DMS-Messverstärker vorhanden ist
- mehrere Sensoren an eine spezielle Datenerfassung angeschlossen werden
- Speisung, Filterung und Skalierung frei konfiguriert werden sollen
Ein gewöhnlicher SPS-Spannungseingang für 0–10 V kann ein Signal von beispielsweise 0–20 mV normalerweise nicht ausreichend genau auswerten. Dazwischen wird ein DMS-Messverstärker benötigt.
Wann ein Messverstärker erforderlich ist
Der Messverstärker versorgt die DMS-Brücke mit einer stabilen Spannung und verstärkt das kleine Differenzsignal auf einen industriell nutzbaren Bereich.
Er übernimmt je nach Ausführung:
- Brückenspeisung
- Verstärkung des mV/V-Signals
- Nullpunkt- und Endwertabgleich
- Filterung und Störunterdrückung
- galvanische Trennung
- Umwandlung in 4–20 mA oder 0–10 V
Der Verstärker kann direkt im Sensor, in einem Kabelgehäuse, auf einer Hutschiene oder in einem Messgerät integriert sein.
Eine Montage nahe am Kraftaufnehmer ist häufig vorteilhaft. Das empfindliche mV-Signal muss dann nur über eine kurze Strecke übertragen werden. Hinter dem Verstärker steht ein robusteres Normsignal zur Verfügung.
Bei der Auswahl müssen die Kennempfindlichkeit des Sensors, der Brückenwiderstand, die Speisespannung und die gewünschte Ausgangsart zum Verstärker passen.
mV/V, 4–20 mA und 0–10 V im Vergleich
| Merkmal | mV/V | 4–20 mA | 0–10 V |
|---|---|---|---|
| Signalhöhe | Nur wenige Millivolt | 4 bis 20 mA | 0 bis 10 V |
| Zusätzliche Elektronik | DMS-Verstärker oder spezieller Messeingang erforderlich | Oft direkt an SPS anschließbar | Oft direkt an SPS anschließbar |
| Lange Leitungswege | Nur mit sorgfältiger Auslegung | Sehr gut geeignet | Eher für kurze bis mittlere Wege |
| Störfestigkeit | Empfindlich | Hoch | Mittlere Störfestigkeit |
| Leitungsfehler erkennbar | Abhängig von Auswertung | 4-mA-Live-Zero erleichtert Diagnose | 0 V kann Messwert oder Fehler sein |
| Dynamik | Je nach Verstärker sehr hoch | Von integrierter Elektronik abhängig | Von integrierter Elektronik abhängig |
| Typische Anwendung | Prüfstand und Präzisionsmessung | Industrieanlage und lange Kabel | Maschine und Schaltschrank |
Das Ausgangssignal verändert nicht die mechanische Genauigkeit des Kraftaufnehmers. Es beeinflusst jedoch, wie gut das Sensorsignal übertragen, aufgelöst, geprüft und in der Steuerung verarbeitet werden kann.
Wann 4–20 mA die beste Wahl ist
Das 4–20-mA-Signal ist besonders robust gegenüber elektrischen Störungen und Spannungsabfällen auf längeren Leitungen. Entscheidend ist der Schleifenstrom und nicht die Spannung am SPS-Eingang.
Das Signal besitzt einen sogenannten Live-Zero. Der Messbereich beginnt bei 4 mA und nicht bei 0 mA. Dadurch lässt sich ein gültiger Nullkraftwert besser von einem Leitungsbruch oder Versorgungsausfall unterscheiden.
Eine typische Skalierung lautet:
| Kraft | Ausgangssignal |
|---|---|
| 0 kN | 4 mA |
| 50 % der Nennkraft | 12 mA |
| 100 % der Nennkraft | 20 mA |
4–20 mA ist häufig sinnvoll bei:
- langen Kabelwegen
- Maschinen mit Frequenzumrichtern und großen Motoren
- dezentral montierten Kraftaufnehmern
- SPS- und Leitsystemanbindung
- dauerhafter Prozess- und Überlastüberwachung
Vor der Inbetriebnahme muss geklärt werden, ob der Kraftsensor beziehungsweise Messverstärker als aktiver oder passiver Stromausgang arbeitet. Dazu muss der SPS-Eingang passend verdrahtet und versorgt werden.
Wann 0–10 V sinnvoll ist
0–10 V lässt sich einfach mit vielen SPS-, Regler- und Datenerfassungseingängen verbinden. Das Signal eignet sich vor allem für kurze Leitungswege innerhalb einer Maschine oder eines Schaltschranks.
Vorteile sind die einfache Verdrahtung und die unkomplizierte Messung mit einem Multimeter. Allerdings wirken sich Spannungsabfälle, Potenzialunterschiede und eingekoppelte Störspannungen direkter auf das Messergebnis aus als bei einer Stromschleife.
0–10 V ist häufig geeignet, wenn:
- Sensor, Verstärker und SPS nahe beieinander liegen
- bereits ein passender Spannungseingang vorhanden ist
- eine schnelle analoge Übertragung benötigt wird
- die Verdrahtung in einer kontrollierten EMV-Umgebung erfolgt
Bei einer unipolaren Skalierung kann eine Druckkraft von 0 bis 100 kN beispielsweise 0 bis 10 V entsprechen. Für Zug- und Druckmessungen in beiden Richtungen kann dagegen ein bipolarer Bereich wie −10 bis +10 V sinnvoller sein. Dies setzt einen entsprechend geeigneten Verstärker und Analogeingang voraus.
Kraftsensor an eine SPS anschließen
Vor dem Anschluss muss geprüft werden, welches Signal der Kraftaufnehmer tatsächlich liefert. Die Angaben „DMS-Sensor“, „4-Leiter“ oder „10 V Versorgung“ reichen allein nicht aus.
Direktes mV/V-Signal
Die SPS benötigt ein spezielles DMS- oder Wägezellenmodul. Dieses muss die Brücke speisen und das differentielle Millivoltsignal auswerten können. Alternativ wird ein externer Messverstärker vorgeschaltet.
4–20-mA-Signal
Der Sensor beziehungsweise Verstärker wird an einen Stromanalogeingang angeschlossen. Versorgung, Bürde, aktive oder passive Schleife sowie gemeinsame Bezugspotenziale müssen berücksichtigt werden.
0–10-V-Signal
Das Ausgangssignal wird an einen Spannungseingang angeschlossen. Signalmasse und Versorgungspotenzial müssen so ausgeführt werden, dass keine unerwünschten Ausgleichsströme entstehen.
Die Abtastrate der SPS muss zur Messaufgabe passen. Eine langsame Prozessüberwachung benötigt eine andere zeitliche Auflösung als die Erfassung einer kurzen Einpresskraftspitze.
Leitung, Schirmung und Erdung richtig ausführen
Das unverstärkte Signal einer DMS-Brücke ist besonders empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Die Sensorleitung sollte deshalb getrennt von Motor-, Schütz- und Frequenzumrichterleitungen verlegt werden.
Wichtige Maßnahmen sind:
- geschirmte und verdrillte Sensorleitung verwenden
- Schirm nach Herstellerangabe anschließen
- Leitung nicht unnötig verlängern
- Zugentlastung am Sensor vorsehen
- keine zusätzlichen Klemmstellen ohne Notwendigkeit einbauen
- Signal- und Leistungsleitungen räumlich trennen
Bei langen DMS-Leitungen kann eine 6-Leiter-Technik sinnvoll sein. Zwei zusätzliche Sense-Leitungen erfassen die tatsächlich am Sensor anliegende Speisespannung. Der Verstärker kann dadurch Spannungsabfälle auf der Leitung kompensieren.
Eine unsachgemäße beidseitige Schirmanbindung kann Potenzialausgleichsströme verursachen. Die Ausführung muss deshalb zum Erdungs- und EMV-Konzept der Maschine passen.
Nullpunkt und Skalierung einstellen
Nach der mechanischen Montage zeigt ein Kraftaufnehmer häufig einen kleinen Anfangswert. Ursachen können Eigengewicht, Vorspannung, Einbauspannungen und der elektrische Nullpunktversatz sein.
Der Nullabgleich darf erst erfolgen, wenn der mechanische Zustand eindeutig definiert ist. Eine tatsächlich vorhandene Vorspannkraft darf nicht versehentlich aus der Messung herausgerechnet werden.
Für eine lineare Skalierung gilt:
Kraft = (Messsignal − Signal bei Nullkraft) × Messspanne ÷ Signalspanne
Bei einem Sensor mit 0 bis 50 kN und 4–20 mA ergeben sich beispielsweise:
- 4 mA = 0 kN
- 12 mA = 25 kN
- 20 mA = 50 kN
Die SPS sollte Werte unterhalb und oberhalb des regulären Signalbereichs auf Plausibilität prüfen. Ein Strom deutlich unter 4 mA kann auf Leitungsbruch, fehlende Versorgung oder einen defekten Messverstärker hinweisen.
Elektrische Signalprüfung und Kraftkalibrierung unterscheiden
Bei der Fehlersuche muss zwischen dem mechanischen Sensor und der nachgeschalteten Signalkette unterschieden werden.
Prüfung des SPS-Eingangs
Mit dem UPS4E Stromschleifen-Kalibrator können definierte Ströme wie 4, 12 und 20 mA erzeugt werden. Dadurch lassen sich Verdrahtung, SPS-Eingang, Anzeige und Skalierung prüfen, ohne dass der Kraftsensor belastet werden muss.
Der UPS4E kann außerdem den Ausgangsstrom eines 4–20-mA-Messverstärkers messen. Bei einem Spannungsausgang kann die Ausgangsspannung kontrolliert werden.
Prüfung des Messverstärkers
Für eine vollständige Prüfung des Messverstärkers muss am Eingang ein definiertes DMS-Brückensignal bereitgestellt werden. Dafür ist ein geeigneter DMS- oder mV/V-Simulator erforderlich.
Ein gewöhnlicher Stromschleifenkalibrator ersetzt diese Brückensimulation nicht.
Mechanische Kalibrierung
Bei einer Kraftkalibrierung wird der Aufnehmer mit bekannten, rückführbaren Kräften belastet. Dabei wird die vollständige Messkette aus Sensor, Verstärker, Anzeige und gegebenenfalls SPS bewertet.
Nur diese Prüfung erkennt unter anderem:
- Empfindlichkeitsabweichung des Kraftaufnehmers
- Hysterese
- Linearitätsabweichung
- Nullpunktrückkehr
- mechanische Montageeinflüsse
Eine korrekte 4–20-mA-Ausgabe beweist daher nicht automatisch, dass die tatsächlich aufgebrachte Kraft richtig gemessen wird.
Typische Fehler bei der Signalauswahl
| Fehler | Mögliche Folge | Bessere Vorgehensweise |
|---|---|---|
| mV/V-Sensor direkt an 0–10-V-Eingang angeschlossen | Kein nutzbarer oder stark verrauschter Messwert | DMS-Verstärker oder spezielles SPS-Modul verwenden |
| 4–20 mA und 0–20 mA verwechselt | Falscher Nullpunkt und falsche Skalierung | Ausgangsbereich eindeutig dokumentieren |
| Aktiver Ausgang an speisenden Eingang angeschlossen | Fehlfunktion oder mögliche Beschädigung | Aktive und passive Signalart prüfen |
| Langes mV/V-Kabel neben Motorleitungen verlegt | Unruhige und lastabhängige Störsignale | Verstärker sensornah montieren und Leitung abschirmen |
| 0–10 V über große Entfernung übertragen | Fehler durch Potenzial- und Spannungsabfälle | 4–20 mA oder galvanische Trennung prüfen |
| Nur der SPS-Eingang elektrisch simuliert | Mechanischer Sensorfehler bleibt unerkannt | Zusätzlich eine Kraftkalibrierung durchführen |
| Nullabgleich unter unbekannter Vorspannung | Tatsächliche Anfangskraft wird ausgeblendet | Mechanischen Nullzustand vorher definieren |
Praxisbeispiel: Kraftüberwachung an einer Fügevorrichtung
An einer Fügevorrichtung soll eine maximale Einpresskraft von 20 kN überwacht werden. Der Kraftaufnehmer befindet sich direkt an der Presse, die SPS etwa 25 m entfernt im Schaltschrank.
Zunächst wird ein Kraftsensor mit direktem mV/V-Signal vorgesehen. Die lange Sensorleitung müsste jedoch durch einen Kabelkanal mit Motor- und Ventilleitungen geführt werden.
Für die endgültige Ausführung wird deshalb ein DMS-Kraftaufnehmer mit sensornah montiertem Kabelmessverstärker gewählt. Der Verstärker wandelt das Brückensignal in 4–20 mA um.
Die SPS wird folgendermaßen skaliert:
- 4 mA = 0 kN
- 20 mA = 25 kN
Der Messbereich besitzt damit Reserve gegenüber der normalen maximalen Einpresskraft. Eine Warnung wird bei 18 kN und eine Abschaltung bei 22 kN ausgelöst.
Bei der Inbetriebnahme wird zuerst mit einem Stromschleifenkalibrator geprüft, ob 4, 12 und 20 mA in der SPS korrekt als 0, 12,5 und 25 kN angezeigt werden. Anschließend wird die vollständige Messkette mit definierten Referenzkräften belastet.
Durch diese Trennung lassen sich Fehler in der SPS-Skalierung und Fehler der mechanischen Kraftmessung eindeutig voneinander unterscheiden.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
Die Kategorie Kraftsensoren, Kraftmessgeräte und weitere mechanische Sensoren enthält Lösungen für Maschinenbau, Prüfstände, Automatisierung und industrielle Prozessüberwachung.
Eine Auswahl an Kraftaufnehmern für Zug- und Druckkräfte finden Sie in der Kategorie Zug- und Druckkraftaufnehmer.
WIKA F2812 für kompakte Zug- und Druckkraftmessungen
Der WIKA F2812 ist ein kompakter Zug- und Druckkraftaufnehmer für Messbereiche von 0 bis 50 N bis 0 bis 1.000 N.
Er eignet sich für Prüf-, Füge- und Überwachungsaufgaben, bei denen der Kraftaufnehmer direkt im Kraftfluss montiert wird. Das Ausgangssignal kann mit einer passenden Auswerteelektronik verarbeitet werden.
WIKA F1222 für sehr kleine Einbauräume
Die WIKA F1222 Kraftmessdose ist für geringe Einbauhöhen und Druckkraftmessungen ab kleinen Nennkräften vorgesehen.
Optional kann sie mit einem Kabelmessverstärker kombiniert werden, der ein 4–20-mA- oder 0–10-V-Signal für die weitere Auswertung bereitstellt.
WIKA B1940 zur Umwandlung von mV/V
Der WIKA B1940 verstärkt das Signal einer DMS-Messbrücke und wandelt es je nach Ausführung in 0/4–20 mA oder 0–10 V um.
Die kompakte Bauform und Schutzart IP67 ermöglichen eine Montage in der Nähe des Kraftaufnehmers. Dadurch bleibt der störanfällige mV/V-Signalweg kurz.
WIKA E3906 für mobile mV/V-Messungen
Das WIKA E3906 DMS-Handmessgerät eignet sich zur mobilen Anzeige von Kraftaufnehmern und Wägezellen mit mV/V-Ausgang.
Es ist besonders interessant für Serviceeinsätze, Prüfaufbauten und Anwendungen, bei denen keine permanente SPS-Integration erforderlich ist.
UPS4E für die 4–20-mA-Signalkette
Der UPS4E Stromschleifen-Kalibrator kann 4–20-mA-Signale messen und simulieren. Damit lassen sich Messverstärker, Verkabelung, SPS-Eingang und Skalierung gezielt prüfen.
ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Kraftaufnehmer, Messbereich, Ausgangssignal, Verstärker, Anzeige und Kalibrierung. Für die Auslegung werden Zug- oder Druckkraft, maximale Überlast, Dynamik, Einbauraum, Kabellänge, Umgebungsbedingungen und vorhandene SPS-Eingänge benötigt.
Fazit: Das Ausgangssignal muss zur vollständigen Kraftmesskette passen
Ein mV/V-Kraftaufnehmer bietet eine flexible und präzise Grundlage für Prüfstände und anspruchsvolle Messsysteme. Er benötigt jedoch eine geeignete Brückenspeisung und einen DMS-Messverstärker.
4–20 mA ist bei langen Leitungswegen, industriellen Störquellen und direkter SPS-Anbindung häufig die robusteste Lösung. Das Live-Zero erleichtert zusätzlich die Erkennung elektrischer Fehler.
0–10 V lässt sich einfach integrieren und eignet sich besonders für kurze Signalwege innerhalb einer Maschine oder eines Schaltschranks.
Bei allen Varianten müssen Signalart, Versorgung, Eingangswiderstand, Skalierung, Schirmung und erforderliche Dynamik aufeinander abgestimmt werden.
Eine elektrische Signalprüfung kontrolliert die Verdrahtung und Auswertung. Ob der Kraftaufnehmer die tatsächliche Kraft korrekt erfasst, lässt sich jedoch nur durch eine mechanische Kalibrierung der vollständigen Messkette nachweisen.
Häufige Fragen zu Kraftsensor-Ausgangssignalen
Kann ein mV/V-Kraftsensor direkt an eine SPS angeschlossen werden?
Nur wenn die SPS ein spezielles DMS- oder Wägezellenmodul besitzt. Bei einem normalen 0–10-V- oder 4–20-mA-Eingang ist ein Messverstärker erforderlich.
Was bedeutet eine Empfindlichkeit von 2 mV/V?
Der Sensor liefert bei Nennkraft 2 mV Ausgangsspannung je Volt Speisespannung. Bei 10 V Brückenspeisung entstehen somit 20 mV.
Welches Signal eignet sich für lange Leitungen?
4–20 mA ist dafür in der Regel am besten geeignet, da Leitungswiderstände und eingekoppelte Störspannungen den Schleifenstrom vergleichsweise wenig beeinflussen.
Ist 0–10 V schneller als 4–20 mA?
Nicht grundsätzlich. Die tatsächliche Bandbreite hängt von Sensor, Messverstärker, Filterung und Analogeingang ab.
Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven und passiven 4–20-mA-Ausgang?
Ein aktiver Ausgang erzeugt den Schleifenstrom mit eigener Versorgung. Ein passiver Zweileiter-Ausgang benötigt eine externe Schleifenspannung.
Kann der UPS4E einen mV/V-Kraftsensor prüfen?
Nicht vollständig. Er eignet sich zur Prüfung von 4–20-mA-Signalen und SPS-Eingängen. Für eine DMS-Brücke ist ein geeigneter mV/V-Simulator beziehungsweise DMS-Prüfaufbau erforderlich.
Wie wird ein Kraftsensor kalibriert?
Der Sensor wird mit bekannten Referenzkräften belastet. Dabei werden die Anzeige beziehungsweise das Ausgangssignal an mehreren Messpunkten bei steigender und häufig auch fallender Kraft bewertet.
Warum zeigt der Sensor ohne Last nicht exakt null?
Mögliche Ursachen sind Eigengewicht, Vorspannung, Einbauspannungen, Temperatur und der elektrische Nullpunktversatz der DMS-Brücke.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden Messrichtung, Nennkraft, mögliche Überlast, statische oder dynamische Anwendung, Einbausituation, Kabellänge, gewünschtes Ausgangssignal, vorhandener SPS-Eingang und erforderliche Genauigkeit.