Kraftaufnehmer in Zug und Druck kalibrieren: Gelenkköpfe, Ausrichtung und Vorlast richtig einsetzen

→ Produktkategorie: WIKA Zug-/Druckkraftaufnehmer

 

Ein Kraftaufnehmer wird in eine Prüfmaschine eingebaut.

Der Referenzwert beträgt:

10,000 kN

der Sensor zeigt jedoch:

9,940 kN

Ist der Kraftaufnehmer außerhalb seiner Spezifikation?

Nicht zwangsläufig.

Bei Kraftmessungen entscheidet nicht nur die Qualität des Sensors über das Ergebnis.

Ebenso wichtig sind:

• die Richtung der Krafteinleitung,
• die Fluchtung der gesamten Messachse,
• Gelenkköpfe und weitere Krafteinleitungsteile,
• Querkräfte und Biegemomente,
• Vorlast und Setzverhalten,
• die Reihenfolge der Laststufen,
• Hysterese und Wiederholbarkeit,
• Temperatur,
• die verwendete Mess- und Auswerteelektronik.

Ein Kraftaufnehmer kann nur die Kraft korrekt messen, die tatsächlich in der vorgesehenen Messachse durch seinen Messkörper geleitet wird.

Bereits kleine Fluchtungsfehler können zusätzliche:

Querkräfte + Biegemomente + Torsionsmomente

erzeugen.

Das ist besonders kritisch bei Zug-/Druckkraftaufnehmern, da dieselbe Messkette häufig in beiden Belastungsrichtungen eingesetzt werden soll.

Geeignete Sensoren finden Sie bei ICS Schneider unter WIKA Zug-/Druckkraftaufnehmer sowie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren.

Wie funktioniert die Kalibrierung eines Kraftaufnehmers?

Bei der Kalibrierung wird die Anzeige beziehungsweise das Ausgangssignal eines Kraftmesssystems mit einer rückgeführten Referenzkraft verglichen.

Grundsätzlich gilt:

Referenzkraft → Kraftaufnehmer → elektrisches Signal → Anzeige / Auswertung

Referenzkraft

Die bekannte Kraft kann beispielsweise durch:

• eine Kraft-Normalmesseinrichtung,
• eine Belastungseinrichtung mit rückgeführtem Referenzkraftaufnehmer,
• eine geeignete Kraftkalibriermaschine

bereitgestellt werden.

Am jeweiligen Kalibrierpunkt wird verglichen

FReferenz

mit:

FAnzeige

Messabweichung

Vereinfacht:

ΔF = FAnzeige − FReferenz

Relative Messabweichung

kann beispielsweise angegeben werden als:

δ = (ΔF / FReferenz) × 100 %

Aber

Dieser Vergleich ist nur aussagekräftig, wenn die Kraft unter kontrollierten mechanischen Bedingungen eingeleitet wird.

Zug- und Druckkalibrierung unterscheiden

Ein Zug-/Druckkraftaufnehmer kann grundsätzlich in beiden Belastungsrichtungen eingesetzt werden.

Das bedeutet aber nicht automatisch:

Kalibrierwert Zug = Kalibrierwert Druck

Die mechanischen Randbedingungen unterscheiden sich

Bei Zugbelastung erfolgt die Krafteinleitung typischerweise über:

• Gewinde,
• Gelenkköpfe,
• Zugstangen,
• Bolzenverbindungen.

Bei Druckbelastung

erfolgt die Belastung häufig über:

• Druckplatten,
• Druckstücke,
• Kalotten,
• zentrale Gewindeeinleitungen.

Dadurch können sich unterscheiden

• Setzverhalten,
• Krafteinleitungsgeometrie,
• mechanische Nebenkräfte,
• Nullpunkt,
• Hysterese.

Deshalb

Soll ein Kraftaufnehmer später sowohl Zug als auch Druck messen, sollten beide Belastungsrichtungen bei der vorgesehenen Kalibrierung berücksichtigt werden.

Warum der Kraftfluss entscheidend ist

Ein Kraftaufnehmer ist so konstruiert, dass eine definierte Kraftkomponente seinen Messkörper verformt.

Ideal

verläuft der Kraftfluss:

Lastaufnahme → Messachse des Sensors → Gegenlager

Der Kraftvektor sollte dabei

möglichst:

koaxial zur Messachse

verlaufen.

Problematisch wird es bei

Faxial + Fquer + Mbieg + Mtorsion

Der Sensor soll aber idealerweise nur

Faxial

erfassen.

Deshalb

muss bei der Kalibrierung nicht nur der Kraftwert stimmen.

Auch die Richtung und Art der Krafteinleitung müssen kontrolliert sein.

Kraftaufnehmer exakt axial ausrichten

Eine häufig unterschätzte Fehlerquelle ist ein kleiner Versatz zwischen oberer und unterer Krafteinleitung.

Ideal

liegen:

• Achse der Kalibriermaschine,
• Achse des oberen Krafteinleitungsteils,
• Messachse des Kraftaufnehmers,
• Achse des unteren Krafteinleitungsteils

auf einer gemeinsamen Linie.

Bei axialem Versatz

entsteht zusätzlich zur gewünschten Kraft ein Moment.

Vereinfacht

bei einem Abstand:

e

zwischen Kraftlinie und Sensorachse:

M = F × e

Beispiel

Bei:

F = 20 kN

und nur:

e = 2 mm

entsteht bereits:

M = 40 Nm

Das zeigt

Schon kleine geometrische Fehler können bei hohen Kräften relevante Biegemomente erzeugen.

Warum Querkräfte Messfehler verursachen

Querkräfte wirken senkrecht zur vorgesehenen Messachse.

Sie können beispielsweise entstehen durch

• schräg stehende Zugstangen,
• nicht fluchtende Gewinde,
• verkantete Druckplatten,
• steife Anschlusskonstruktionen,
• seitlich ziehende Kabel oder Schläuche.

Mögliche Folgen

• veränderter Messwert,
• schlechtere Wiederholbarkeit,
• Nullpunktverschiebung,
• mechanische Überlastung,
• dauerhafte Beschädigung.

Bei mehreren WIKA-Kraftaufnehmern weist ICS ausdrücklich darauf hin

dass die Messkraft:

zentrisch und querkraftfrei

eingeleitet werden muss.

Biegemomente vermeiden

Eine reine Zugkraft belastet einen Kraftaufnehmer entlang seiner Achse.

Wird die Kraft dagegen außermittig eingeleitet, entsteht zusätzlich ein Biegemoment.

Typischer Fehler

Eine Zugstange wird auf einer Seite fest eingespannt.

Der Sensor wird anschließend durch die Gewindeverbindung mechanisch in die gewünschte Position gezwungen.

Dann kann bereits bei Nullkraft

eine mechanische Vorspannung entstehen.

Erkennbar ist dies häufig daran

dass sich der Nullpunkt verändert, wenn:

• eine Verschraubung gelöst wird,
• die Ausrichtung verändert wird,
• ein Krafteinleitungsteil neu montiert wird.

Merksatz

Ein Kraftaufnehmer sollte niemals als mechanisches Ausgleichselement für eine schlecht fluchtende Konstruktion verwendet werden.

Gelenkköpfe bei Zugkraft richtig einsetzen

Bei Zugkraftmessungen werden häufig Gelenkköpfe eingesetzt.

Ihre Aufgabe

besteht darin, kleine Winkelabweichungen der angeschlossenen Zugglieder zuzulassen.

Damit kann sich die Zuglinie besser ausrichten

und die Gefahr zusätzlicher:

• Biegemomente,
• Zwangskräfte,
• Verspannungen

wird reduziert.

Typischer Aufbau

Prüfmaschine → Gelenkkopf → Kraftaufnehmer → Gelenkkopf → Prüfmaschine

Besonders sinnvoll

sind Gelenkköpfe bei:

• Zugstangen,
• Spindelantrieben,
• Prüfmaschinen,
• Linearantrieben,
• beweglichen Maschinenkonstruktionen.

WIKA F2303

Der bei ICS gelistete:

WIKA Typ F2303

ist ein Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Gelenkkopf und damit besonders anschaulich für diese Art der axialen Krafteinleitung.

Was Gelenkköpfe nicht kompensieren können

Ein Gelenkkopf ist kein universeller Fehlerkompensator.

Er kann kleine Winkelabweichungen aufnehmen

aber beispielsweise keinen dauerhaft starken:

• Parallelversatz,
• seitlichen Kraftangriff,
• Torsionseintrag,
• zu großen Gelenkwinkel

unschädlich machen.

Auch die Gelenke selbst müssen frei beweglich sein

Ein festgeklemmter oder bis zum Anschlag verdrehter Gelenkkopf kann seine Ausgleichsfunktion nicht erfüllen.

Bolzen beachten

Bei Bolzenverbindungen sollten:

• Bolzendurchmesser,
• Spiel,
• Auflagebreite,
• Festigkeit

zur Belastung passen.

Das Ziel bleibt

axiale Kraft ohne relevante Nebenkräfte

Druckkräfte richtig einleiten

Bei der Druckkalibrierung entstehen andere mechanische Probleme als bei Zug.

Besonders wichtig sind

• parallele Druckflächen,
• saubere Kontaktflächen,
• zentrale Belastung,
• ausreichende Steifigkeit,
• kein Verkanten.

Unebene Kontaktfläche

kann dazu führen, dass die Last zunächst nur auf einem Teil der vorgesehenen Fläche wirkt.

Beim Erhöhen der Kraft

setzt sich die Verbindung.

Dadurch kann der gemessene Verlauf beispielsweise:

nichtlinear

erscheinen.

Abhilfe

Je nach Sensortyp und vorgesehener Montage können geeignete:

• Druckstücke,
• Kalotten,
• gehärtete Platten,
• Krafteinleitungsteile

eingesetzt werden.

Aber

die verwendeten Teile müssen zur vom Hersteller vorgesehenen Krafteinleitung des jeweiligen Sensors passen.

Warum eine Vorlast wichtig ist

Nach dem Einbau eines Kraftaufnehmers besitzen die mechanischen Kontaktstellen noch nicht zwangsläufig einen vollständig reproduzierbaren Zustand.

Es können sich setzen

• Gewinde,
• Gelenkköpfe,
• Druckstücke,
• Auflageflächen,
• Bolzenverbindungen.

Deshalb wird vor den eigentlichen Messreihen häufig vorbelastet

beziehungsweise die Messkette mehrfach mit einer hohen definierten Kraft beaufschlagt.

Ziel

ist ein stabiler mechanischer Zustand.

Ohne ausreichende Vorbelastung

kann beispielsweise die erste Messreihe deutlich von späteren Messreihen abweichen.

Bei normgebundenen Kalibrierungen

ist das konkrete Vorbelastungsverfahren aus der anzuwendenden Norm beziehungsweise Kalibrierrichtlinie zu übernehmen.

Vorbelastung und Betriebsvorlast unterscheiden

Zwei Begriffe werden häufig miteinander vermischt.

Vorbelastung zur Konditionierung

Hierbei wird der Sensor vor einer Kalibrierreihe belastet, um:

• mechanische Setzeffekte zu reduzieren,
• den Messkörper zu konditionieren,
• reproduzierbare Ausgangsbedingungen herzustellen.

Betriebsvorlast

Eine Anwendung kann dagegen dauerhaft eine Grundkraft auf den Sensor ausüben.

Beispiel

Ein Behälter erzeugt durch sein Eigengewicht bereits:

5 kN

und die eigentliche Prozesskraft variiert anschließend zwischen:

5 … 15 kN

Dann sollte geklärt werden

ob der Sensor beziehungsweise die Messkette:

0 … 20 kN

oder speziell im tatsächlichen Betriebsbereich:

5 … 15 kN

bewertet werden soll.

Laststufen sinnvoll festlegen

Eine Kalibrierung nur bei:

0 %

und:

100 %

des Messbereichs liefert nur begrenzte Informationen.

Typische Prüfpunkte können beispielsweise sein

0 % → 20 % → 40 % → 60 % → 80 % → 100 %

Je nach Kalibrierverfahren

können mehr oder andere Punkte erforderlich sein.

Mehrere Laststufen zeigen

• Linearität,
• Wiederholbarkeit,
• Bereichsabhängigkeit,
• gegebenenfalls Hysterese.

Besonders wichtig

Wenn ein Sensor im Betrieb hauptsächlich bei:

5 … 20 % des Nennbereichs

arbeitet, ist eine Kalibrierung ausschließlich in der oberen Hälfte des Messbereichs für die Anwendung möglicherweise wenig aussagekräftig.

Steigende und fallende Lastreihen

Wird die Kraft schrittweise erhöht, entsteht eine:

steigende Belastungsreihe

Beispiel

0 → 5 → 10 → 15 → 20 kN

Danach kann die Kraft wieder reduziert werden

20 → 15 → 10 → 5 → 0 kN

Das ist eine fallende Belastungsreihe

Der Vergleich beider Richtungen zeigt, ob derselbe Kraftwert abhängig von seiner Belastungshistorie unterschiedlich angezeigt wird.

Diese Eigenschaft

ist für Anwendungen relevant, in denen Kräfte sowohl:

ansteigen

als auch:

abfallen

.

Hysterese bei Kraftaufnehmern verstehen

Ein Kraftaufnehmer kann bei derselben Kraft unterschiedliche Signale liefern, abhängig davon, ob die Kraft zuvor:

erhöht

oder:

reduziert

wurde.

Beispiel

Bei steigender Belastung:

10 kN → Anzeige 10,01 kN

bei fallender Belastung:

10 kN → Anzeige 9,98 kN

Differenz

30 N

Diese Umkehrspanne beziehungsweise Hysterese

kann unter anderem durch:

• den Messkörper,
• mechanische Verbindungsteile,
• Gelenke,
• Reibung,
• Kalibriereinrichtung

beeinflusst werden.

Deshalb

Die Hysterese einer kompletten eingebauten Messkette ist nicht zwangsläufig identisch mit der Datenblattangabe des einzelnen Kraftaufnehmers.

Nullpunkt vor und nach Belastung kontrollieren

Der unbelastete Ausgangswert liefert wichtige Informationen.

Vor der Kalibrierung

sollte der Nullwert nach ausreichender Stabilisierung dokumentiert werden.

Nach einer vollständigen Belastungsreihe

wird die Kraft wieder entfernt.

Dann wird geprüft:

Kehrt der Sensor zum ursprünglichen Nullwert zurück?

Eine Nullpunktverschiebung kann hinweisen auf

• Setzeffekte,
• mechanische Verspannung,
• Temperaturänderung,
• Überlastung,
• bleibende Verformung.

Besonders auffällig

ist eine Nullpunktänderung, die sich nach mehreren Belastungszyklen nicht stabilisiert.

Wiederholbarkeit prüfen

Ein einzelner Belastungszyklus reicht nicht aus, um die Reproduzierbarkeit eines Messsystems zu beurteilen.

Deshalb werden mehrere Belastungsreihen durchgeführt

und die Ergebnisse an denselben Kraftstufen miteinander verglichen.

Beispiel bei 10 kN

Reihe 1: 10,004 kN

Reihe 2: 10,006 kN

Reihe 3: 10,003 kN

Kleine Streuung

spricht für gute Wiederholbarkeit unter den gegebenen Bedingungen.

Große Streuung

kann dagegen beispielsweise auf:

• schwankende Krafteinleitung,
• Reibung,
• lose Verbindungsteile,
• elektrische Störungen,
• Temperaturänderungen

hinweisen.

Sensor oder komplette Messkette kalibrieren?

Ein Kraftaufnehmer liefert zunächst ein elektrisches Signal.

Je nach Ausführung beispielsweise

mV/V

oder bei integrierter Elektronik:

4 … 20 mA

beziehungsweise:

0 … 10 V

Im realen Einsatz besteht die Messkette jedoch häufig aus

Kraftaufnehmer → Kabel → Verstärker → Anzeige / SPS / Datenerfassung

Wird nur der Kraftaufnehmer kalibriert

sind zusätzliche Abweichungen der:

• Versorgung,
• Verstärkerelektronik,
• Analogeingangskarte,
• Skalierung,
• Anzeige

nicht automatisch Bestandteil der Kalibrierung.

Für die Anwendung kann deshalb sinnvoll sein

die:

komplette Messkette

zu kalibrieren.

Vorteil

Der dokumentierte Messwert entspricht dann stärker der tatsächlich verwendeten Konfiguration.

Temperatur und Stabilisierung berücksichtigen

Kraftaufnehmer reagieren nicht ausschließlich auf mechanische Kraft.

Temperatur kann beeinflussen

• Nullsignal,
• Kennwert,
• mechanische Abmessungen,
• Messverstärker,
• Krafteinleitungsteile.

Deshalb sollte die Messkette

vor einer hochgenauen Kalibrierung ausreichend an die Umgebungstemperatur angepasst sein.

Problematisch

ist beispielsweise:

Sensor aus kaltem Lager → sofortige Präzisionskalibrierung bei Raumtemperatur

Auch Selbsterwärmung

durch Elektronik oder benachbarte Maschinenkomponenten kann relevant sein.

Welche Rolle spielt DIN EN ISO 376?

DIN EN ISO 376 beschreibt die Kalibrierung von Kraftmessgeräten, die zur statischen Verifizierung einachsiger Prüfmaschinen eingesetzt werden.

Die Norm ist damit besonders relevant

für Kraftmessgeräte, die beispielsweise zur Überprüfung von:

• Zugprüfmaschinen,
• Druckprüfmaschinen,
• Materialprüfmaschinen

verwendet werden.

Je nach vorgesehener Nutzung

unterscheidet die Norm unter anderem zwischen:

Kalibrierung nur mit steigenden Kräften

und:

Kalibrierung mit steigenden und fallenden Kräften

Bei reversibler Verwendung

werden steigende und fallende Belastungen berücksichtigt, um das Verhalten bei Lastumkehr beziehungsweise die Umkehrspanne zu bewerten.

Vorbelastung

ist ebenfalls Bestandteil des normativen Kalibrierablaufs.

Wichtig

Nicht jede industrielle Kraftmessung muss automatisch nach DIN EN ISO 376 kalibriert werden.

Das anzuwendende Verfahren hängt von:

• Messaufgabe,
• Qualitätsanforderungen,
• Verwendungszweck,
• Normen und Kundenvorgaben

ab.

Messunsicherheit bei der Kraftkalibrierung

Das Kalibrierergebnis besitzt immer eine Messunsicherheit.

Mögliche Beiträge sind

• Unsicherheit der Referenzkraft,
• Auflösung der Anzeige,
• Wiederholbarkeit,
• Reproduzierbarkeit,
• Nullpunktverhalten,
• Hysterese,
• Interpolation,
• Temperatur,
• Ausrichtung,
• Krafteinleitung,
• Messverstärker.

Wichtig

Die Genauigkeit des Referenzsystems allein bestimmt deshalb nicht die Unsicherheit der gesamten Kalibrierung.

Beispiel

Eine hochgenaue Referenzkraft nützt nur begrenzt, wenn der Prüfling:

schräg eingebaut

ist und dadurch schlecht reproduzierbare Nebenkräfte erzeugt.

Deshalb

Mechanische Qualität des Prüfaufbaus und metrologische Qualität der Referenz gehören bei der Kraftkalibrierung unmittelbar zusammen.

Empfohlener Kalibrierablauf für Zug-/Druckkraftaufnehmer

1. Messaufgabe festlegen: Zug, Druck oder beide Richtungen?
2. Kalibrierbereich definieren: Tatsächlich benötigten Kraftbereich festlegen.
3. Kalibrierverfahren bestimmen: Werkskalibrierung, rückgeführte Kalibrierung oder normgebundenes Verfahren festlegen.
4. Kraftaufnehmer identifizieren: Typ, Nennkraft, Seriennummer und Ausgangssignal dokumentieren.
5. Krafteinleitungsteile festlegen: Gewinde, Gelenkköpfe, Druckstücke und Adapter passend auswählen.
6. Bauteile kontrollieren: Gewinde, Bolzen und Kontaktflächen auf Schäden prüfen.
7. Messkette elektrisch anschließen: Sensor, Verstärker und Anzeige entsprechend der späteren Verwendung verbinden.
8. Warmlauf beziehungsweise Temperaturstabilisierung abwarten: Messkette an die Umgebungsbedingungen angleichen.
9. Kraftachse ausrichten: Referenzmaschine, Kraftaufnehmer und Krafteinleitungsteile fluchten.
10. Querkräfte vermeiden: Anschlusskonstruktion auf seitliche Kräfte prüfen.
11. Gelenkköpfe frei ausrichten: Bei Zugmessungen sicherstellen, dass sie nicht am Anschlag stehen oder verspannt sind.
12. Druckflächen prüfen: Bei Druckkalibrierung parallele und saubere Kontaktflächen sicherstellen.
13. Nullpunkt dokumentieren: Ausgangswert im unbelasteten Zustand erfassen.
14. Vorbelasten: Messkette entsprechend dem vorgesehenen Kalibrierverfahren konditionieren.
15. Nullpunkt erneut prüfen: Nach der Vorbelastung auf stabile Ausgangslage achten.
16. Steigende Lastreihe fahren: Definierte Kraftstufen nacheinander anfahren.
17. Stabilisierungszeit beachten: Messwert erst nach ausreichender Stabilisierung übernehmen.
18. Weitere Messreihe durchführen: Wiederholbarkeit prüfen.
19. Falls erforderlich fallende Lastreihe durchführen: Hysterese beziehungsweise Umkehrspanne bewerten.
20. Zug- und Druckrichtung getrennt prüfen: Wenn beide im späteren Betrieb relevant sind.
21. Nullpunkt nach Entlastung prüfen: Bleibende Nullpunktverschiebung dokumentieren.
22. Messabweichung bestimmen: Anzeigen mit der Referenzkraft vergleichen.
23. Messunsicherheit bewerten: Relevante Einflussgrößen berücksichtigen.
24. Kalibrierergebnis dokumentieren: Messpunkte, Belastungsrichtung, Einbausituation und verwendete Messkette festhalten.

Typische Fehler bei der Kalibrierung von Kraftaufnehmern

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Messwert ändert sich nach Neuinstallation	Andere Krafteinleitung oder Verspannung	Montage und Kraftachse prüfen
Erste Messreihe unterscheidet sich von den folgenden	Setzvorgänge beziehungsweise fehlende Vorbelastung	Definierte Vorbelastungszyklen durchführen
Sensor zeigt bei gleicher Kraft unterschiedliche Werte	Schlechte Wiederholbarkeit oder wechselnde Nebenkräfte	Krafteinleitung und Befestigung kontrollieren
Steigende und fallende Last liefern unterschiedliche Werte	Hysterese beziehungsweise Reibung im System	Beide Lastreihen vergleichen
Nullpunkt verschiebt sich nach Belastung	Setzung, Verspannung oder Überlast	Nullpunkt nach jedem Lastzyklus prüfen
Zugmessung ist stabil, Druckmessung nicht	Unterschiedliche Krafteinleitung	Druckflächen und Zentrierung prüfen
Druckwert hängt von Position des Sensors ab	Außermittige Belastung	Kraftachse und Auflage kontrollieren
Messwert verändert sich beim Festziehen einer Zugstange	Torsions- oder Biegemoment	Montage spannungsfrei wiederholen
Gelenkkopf ist vorhanden, Querlast bleibt trotzdem hoch	Gelenk blockiert oder Parallelversatz zu groß	Bewegungsfreiheit und Gesamtgeometrie prüfen
Wert driftet während der Kalibrierung	Temperaturänderung oder Elektronik nicht stabilisiert	Temperatur und Warmlaufzeit prüfen
Sensor allein ist korrekt, komplette Maschine zeigt Abweichung	Messverstärker, Skalierung oder Mechanik	Komplette Messkette prüfen
Abweichung steigt mit zunehmender Kraft	Linearitätsfehler oder lastabhängige Nebenkräfte	Mehrere Lastpunkte und mechanische Ausrichtung prüfen

Praxisbeispiel: 20-kN-Zug-/Druckkraftaufnehmer kalibrieren

Ein Kraftaufnehmer mit einem Nennbereich von:

0 … 20 kN

soll in einer Prüfvorrichtung sowohl Zug- als auch Druckkräfte messen.

Schritt 1: Mechanischen Aufbau definieren

Für Zug werden:

Gelenkkopf → Sensor → Gelenkkopf

verwendet.

Schritt 2: Kraftachse ausrichten

Die Zugglieder werden so montiert, dass der Sensor nicht seitlich gezogen wird.

Schritt 3: Vorbelastung

Vor Beginn der eigentlichen Messreihe wird die Messkette entsprechend dem festgelegten Kalibrierverfahren belastet und wieder entlastet.

Schritt 4: Steigende Zugkräfte

Beispielsweise:

0 → 4 → 8 → 12 → 16 → 20 kN

Schritt 5: Fallende Zugkräfte

Wenn Hysterese beziehungsweise Umkehrspanne relevant ist:

20 → 16 → 12 → 8 → 4 → 0 kN

Schritt 6: Nullpunkt kontrollieren

Nach vollständiger Entlastung wird geprüft, ob das Ausgangssignal wieder auf den Ausgangswert zurückkehrt.

Schritt 7: Druckaufbau herstellen

Für die Druckkalibrierung werden geeignete Krafteinleitungsteile verwendet.

Die Kontaktflächen werden:

• gereinigt,
• zentriert,
• parallel ausgerichtet.

Schritt 8: Druckrichtung separat konditionieren

Die Messkette wird entsprechend dem Kalibrierverfahren auch in Druckrichtung vorbelastet.

Schritt 9: Druckmessreihen durchführen

Die gleichen beziehungsweise für die Anwendung vorgesehenen Kraftstufen werden angefahren.

Schritt 10: Ergebnisse vergleichen

Bewertet werden:

• Abweichung von der Referenz,
• Wiederholbarkeit,
• Hysterese,
• Nullpunktrückkehr,
• Unterschied zwischen Zug- und Druckrichtung.

Ergebnis

Die Aussage „Kraftaufnehmer 0 … 20 kN kalibriert“ ist allein zu wenig. Für eine belastbare Bewertung muss auch dokumentiert sein, in welcher Belastungsrichtung, mit welchen Krafteinleitungsteilen und unter welchen mechanischen Bedingungen kalibriert wurde.

Passende ICS-Produkte für Zug- und Druckkraftmessungen

WIKA Typ F2303 – Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Gelenkkopf bis 45 kN

Für Anwendungen mit axialen Zug- und Druckkräften führt ICS den:

WIKA Typ F2303

ICS nennt

• Messbereiche 0 … 10 kN bis 0 … 45 kN,
• korrosionsbeständige CrNi-Stahl-Ausführung,
• integrierten Verstärker,
• große Langzeitstabilität,
• große Schock- und Schwingungsbeständigkeit,
• gute Reproduzierbarkeit,
• einfache Montage.

Typische Anwendungen laut ICS

• Maschinen- und Anlagenbau,
• Fertigungsautomatisierung,
• Pressen,
• Hubzylinder,
• Schweißzangen,
• Antriebe.

Ausgangssignale

ICS nennt unter anderem:

4 … 20 mA

und:

0 … 10 V

Für diesen Beitrag besonders relevant

ist der Gelenkkopf, weil er eine praxisgerechte mechanische Einbindung in axial belastete Konstruktionen ermöglicht.

Auch hier ersetzt der Gelenkkopf jedoch keine korrekte Gesamtausrichtung der Kraftlinie.

WIKA Typ F2802 – S-Typ Zug-/Druckkraftaufnehmer bis 50 kN

Für klassische Zug-/Druckmessungen führt ICS außerdem den:

WIKA Typ F2802

ICS nennt

• Messbereiche 0 … 0,5 kN bis 0 … 50 kN,
• CrNi-Stahl- oder Stahlausführung,
• Schutzart IP65 bei Messbereichen unter 5 kN,
• Schutzart IP67 ab 5 kN.

Anwendungen

umfassen:

• Zug- und Druckkraftprüfung,
• Behälterverwiegung,
• Lastüberwachung in Industrieanlagen.

Wichtiger Montagehinweis

ICS weist ausdrücklich darauf hin, dass die Messkraft:

zentrisch und querkraftfrei

eingeleitet werden muss.

WIKA Typ F2822 – Zug-/Druckkraftaufnehmer für Materialprüfung bis 500 kN

Für größere Kräfte und Anwendungen in der Materialprüfung führt ICS den:

WIKA Typ F2822

ICS nennt

• Messbereiche 0 … 5 kN bis 0 … 500 kN,
• niedrige Einbauhöhe,
• Stahlausführung,
• Schutzart IP66.

Typische Anwendungen

• Materialprüfmaschinen,
• Lastüberwachung,
• Fertigungsstraßen,
• Mess-, Prüf- und Kontrolleinrichtungen,
• Sondermaschinenbau.

Auch hier gilt

Die Kraft muss:

zentrisch und querkraftfrei

eingeleitet werden.

Welche Lösung passt?

Anwendung	Passende ICS-Lösung
Zug-/Druckmessung mit Gelenkkopfanbindung bis 45 kN	WIKA F2303
Klassischer S-Typ für Zug- und Druckprüfung bis 50 kN	WIKA F2802
Materialprüfung und größere Kräfte bis 500 kN	WIKA F2822
Sehr kleine Zug-/Druckkräfte ab 10 N	WIKA F2220 beziehungsweise F2221 entsprechend Anwendung prüfen
Sehr hohe Kräfte	Weitere WIKA Zug-/Druckkraftaufnehmer entsprechend Messbereich und Einbausituation auswählen

Eine Übersicht finden Sie unter WIKA Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider.

Fazit

Eine präzise Kraftkalibrierung beginnt nicht mit dem ersten Kalibrierpunkt.

Sie beginnt mit der:

mechanischen Krafteinleitung

Zug- und Druckrichtung müssen getrennt betrachtet werden

Die unterschiedlichen Krafteinleitungsteile können zu unterschiedlichen mechanischen Bedingungen führen.

Die Kraft muss axial wirken

Querkräfte, Biegemomente und Torsion verändern den Belastungszustand des Kraftaufnehmers.

Gelenkköpfe helfen bei Zugmessungen

Sie können kleine Winkelabweichungen ausgleichen und Zwangsmomente reduzieren.

Sie ersetzen jedoch keine korrekt ausgerichtete Gesamtkonstruktion.

Vorbelastung verbessert die Reproduzierbarkeit

Mechanische Kontaktstellen können sich setzen.

Ein definierter Vorbelastungsablauf sorgt deshalb für vergleichbarere Ausgangsbedingungen.

Steigende und fallende Kräfte zeigen Hysterese

Wenn eine Messkette später in beiden Belastungsrichtungen eines Kraftverlaufs eingesetzt wird, sollte auch dieses Verhalten bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

Die komplette Messkette kann entscheidend sein

Neben dem Sensor beeinflussen auch:

• Krafteinleitung,
• Verstärker,
• Anzeige,
• Verdrahtung,
• Temperatur

das Ergebnis.

Für die Praxis gilt deshalb

Messaufgabe definieren → Zug und Druck festlegen → Kraftbereich bestimmen → geeigneten Kraftaufnehmer wählen → passende Krafteinleitungsteile auswählen → Kraftachse exakt ausrichten → Querkräfte und Biegemomente vermeiden → Gelenkköpfe spannungsfrei montieren → elektrische Messkette anschließen → Temperatur stabilisieren → Nullpunkt prüfen → definiert vorbelasten → Laststufen anfahren → Messreihen wiederholen → bei Bedarf steigende und fallende Kräfte erfassen → Zug und Druck getrennt bewerten → Nullpunktrückkehr kontrollieren → Messabweichung und Messunsicherheit bestimmen → Einbausituation im Kalibrierergebnis dokumentieren.

FAQ: Kraftaufnehmer in Zug und Druck richtig kalibrieren

Wie wird ein Kraftaufnehmer kalibriert?

Eine bekannte rückgeführte Referenzkraft wird auf den Kraftaufnehmer aufgebracht und sein Ausgangssignal beziehungsweise seine Anzeige mit dieser Referenz verglichen.

Kann ein Zug-/Druckkraftaufnehmer in beiden Richtungen kalibriert werden?

Ja. Wenn beide Belastungsrichtungen für die Anwendung relevant sind, sollten Zug und Druck entsprechend berücksichtigt werden.

Ist die Genauigkeit in Zug und Druck automatisch gleich?

Nicht zwangsläufig. Krafteinleitung, Montage, Hysterese und die mechanische Belastung der Messkette können sich zwischen beiden Richtungen unterscheiden.

Warum muss die Kraft axial eingeleitet werden?

Der Kraftaufnehmer ist für eine definierte Belastung entlang seiner Messachse ausgelegt. Seitliche Kräfte oder Momente können zusätzliche Verformungen und dadurch Messfehler erzeugen.

Was ist eine Querkraft?

Eine Querkraft wirkt seitlich beziehungsweise quer zur vorgesehenen Messachse des Kraftaufnehmers.

Was ist ein Biegemoment?

Ein Biegemoment entsteht unter anderem dann, wenn die Kraft nicht entlang der Sensorachse, sondern mit einem seitlichen Abstand eingeleitet wird.

Wie entsteht ein Biegemoment durch außermittige Krafteinleitung?

Vereinfacht gilt M = F × e, wobei F die Kraft und e der Abstand zwischen Kraftlinie und Messachse ist.

Was ist ein Gelenkkopf?

Ein Gelenkkopf ist ein mechanisches Verbindungselement mit beweglicher Lagerung, das kleine Winkeländerungen zwischen zwei Zuggliedern ermöglichen kann.

Warum werden Gelenkköpfe bei Zugkraftaufnehmern verwendet?

Sie helfen dabei, Zwangsmomente durch kleine Winkelabweichungen der angeschlossenen Bauteile zu reduzieren und die Kraft axial durch den Sensor zu leiten.

Beseitigt ein Gelenkkopf alle Querkräfte?

Nein. Große Parallelversätze, seitliche Kraftangriffe oder blockierte Gelenke können weiterhin relevante Nebenkräfte erzeugen.

Brauche ich zwei Gelenkköpfe?

Das hängt vom vorgesehenen mechanischen Aufbau ab. Bei frei ausgerichteten Zugmessketten werden häufig Gelenke an beiden Seiten verwendet, damit sich die Kraftlinie möglichst spannungsfrei einstellen kann.

Kann ich einen Gelenkkopf vollständig festsetzen?

Wenn die Gelenkbewegung blockiert wird, verliert er seine Ausgleichsfunktion. Die konkrete Montage muss den Vorgaben des jeweiligen Sensors und Krafteinleitungsteils entsprechen.

Was muss bei Druckkraft beachtet werden?

Die Kraft sollte zentrisch eingeleitet werden. Auflage- und Druckflächen müssen zur vorgesehenen Sensorgeometrie passen und dürfen keine unzulässigen Quer- oder Biegemomente erzeugen.

Warum sind parallele Druckflächen wichtig?

Bei nicht parallelen Flächen kann die Last zunächst einseitig eingeleitet werden und damit eine außermittige Belastung verursachen.

Was bedeutet Vorlast bei einer Kraftkalibrierung?

Im Zusammenhang mit der Kalibrierung wird damit häufig eine definierte Vorbelastung beziehungsweise Konditionierung der Messkette bezeichnet, bevor die eigentlichen Messreihen beginnen.

Warum wird ein Kraftaufnehmer vorbelastet?

Dadurch können mechanische Setzvorgänge reduziert und reproduzierbarere Ausgangsbedingungen geschaffen werden.

Ist Vorbelastung dasselbe wie Tarieren?

Nein. Vorbelastung ist ein mechanischer Belastungsvorgang. Tarieren beziehungsweise Nullstellen verändert dagegen die Zuordnung des elektrischen beziehungsweise angezeigten Nullwerts.

Wie oft muss vorbelastet werden?

Das hängt vom angewendeten Kalibrierverfahren beziehungsweise der zugrunde liegenden Norm oder Richtlinie ab. Bei normgebundenen Kalibrierungen ist das darin festgelegte Verfahren maßgebend.

Was sind Laststufen?

Das sind definierte Referenzkräfte, die innerhalb des Kalibrierbereichs nacheinander angefahren werden.

Warum werden mehrere Laststufen benötigt?

Damit das Verhalten des Sensors über den Messbereich beurteilt werden kann und nicht nur bei einem einzelnen Kraftwert.

Was bedeutet steigende Belastung?

Die Kraft wird von einem niedrigen Wert schrittweise zu höheren Kraftstufen erhöht.

Was bedeutet fallende Belastung?

Die Kraft wird nach Erreichen einer hohen Kraftstufe schrittweise wieder reduziert.

Was ist Hysterese bei einem Kraftaufnehmer?

Hysterese beschreibt die Abhängigkeit des Messsignals von der Belastungsvorgeschichte. Bei derselben Kraft können bei steigender und fallender Belastung unterschiedliche Werte auftreten.

Warum sollte der Nullpunkt nach einer Belastung geprüft werden?

Eine bleibende Nullpunktänderung kann auf Setzvorgänge, mechanische Verspannung oder eine Überlastung hinweisen.

Was bedeutet Wiederholbarkeit?

Sie beschreibt, wie gut sich das Messergebnis bei wiederholter Beaufschlagung mit derselben Kraft unter gleichen Bedingungen reproduzieren lässt.

Warum reicht eine einzelne Messreihe nicht?

Ohne Wiederholung lässt sich kaum beurteilen, ob ein Messwert stabil reproduzierbar ist oder zufällig durch Krafteinleitung und andere Einflussgrößen entstanden ist.

Soll der Kraftaufnehmer allein oder mit Messverstärker kalibriert werden?

Das hängt von der gewünschten Aussage ab. Wenn der Verstärker Bestandteil der späteren Messkette ist, kann eine Kalibrierung der kompletten Messkette für die Anwendung besonders sinnvoll sein.

Warum beeinflusst der Messverstärker das Ergebnis?

Er verarbeitet das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers und besitzt selbst Eigenschaften wie Verstärkung, Nullpunkt, Linearität und Temperaturabhängigkeit.

Warum ist die Temperatur bei einer Kraftkalibrierung wichtig?

Sowohl Messkörper als auch Elektronik und mechanische Krafteinleitungsteile können temperaturabhängig reagieren.

Was ist DIN EN ISO 376?

DIN EN ISO 376 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung von Kraftmessgeräten, die zur statischen Verifizierung einachsiger Prüfmaschinen eingesetzt werden.

Muss jeder Kraftaufnehmer nach DIN EN ISO 376 kalibriert werden?

Nein. Ob dieses Verfahren erforderlich beziehungsweise sinnvoll ist, hängt von der Anwendung, den Qualitätsanforderungen und den geltenden Kundenvorgaben oder Normen ab.

Warum werden bei bestimmten Kalibrierungen steigende und fallende Kräfte gemessen?

Damit das Verhalten des Kraftmessgeräts bei Lastumkehr beziehungsweise seine Umkehrspanne beurteilt werden kann.

Was beeinflusst die Messunsicherheit einer Kraftkalibrierung?

Unter anderem Referenzkraft, Wiederholbarkeit, Auflösung, Nullpunkt, Hysterese, Temperatur, Ausrichtung, Krafteinleitung und die verwendete Elektronik.

Kann ein hochgenauer Sensor durch falsche Montage ungenau messen?

Ja. Querkräfte, Biegemomente oder mechanische Verspannungen können die praktische Messqualität deutlich verschlechtern.

Was ist der WIKA F2303?

Der bei ICS gelistete WIKA F2303 ist ein Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Dünnfilmtechnik und Gelenkkopf für Messbereiche von 0 … 10 kN bis 0 … 45 kN.

Welche Ausgangssignale bietet der WIKA F2303?

ICS nennt unter anderem aktive Ausgangssignale 4 … 20 mA und 0 … 10 V. Je nach Ausführung sind weitere Optionen möglich.

Wofür eignet sich der F2303?

ICS nennt Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau, in der Fertigungsautomatisierung sowie an Pressen, Hubzylindern, Schweißzangen und Antrieben.

Was ist der WIKA F2802?

Der F2802 ist ein bei ICS gelisteter S-Typ-Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Messbereichen von 0 … 0,5 kN bis 0 … 50 kN.

Was ist beim F2802 bei der Montage wichtig?

ICS weist darauf hin, dass die Messkraft zentrisch und querkraftfrei eingeleitet werden muss.

Was ist der WIKA F2822?

Der F2822 ist ein bei ICS gelisteter Zug-/Druckkraftaufnehmer für Materialprüfung und weitere industrielle Prüfaufgaben mit Messbereichen von 0 … 5 kN bis 0 … 500 kN.

Wo finde ich den WIKA F2303 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA F2303 Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider.

Wo finde ich den WIKA F2802 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA F2802 Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider.

Wo finde ich den WIKA F2822 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA F2822 Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter WIKA Zug-/Druckkraftaufnehmer bei ICS Schneider.