Dehnungsaufnehmer nachrüsten: Maschinenkräfte indirekt erfassen

→ Produktkategorie: Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren

 

Ein Dehnungsaufnehmer ermöglicht es, Kräfte an bereits vorhandenen Maschinen, Pressen, Stahlkonstruktionen oder Behälterstützen nachträglich zu erfassen, ohne einen klassischen Kraftaufnehmer direkt in den Kraftfluss einbauen zu müssen.

Der Sensor wird auf ein belastetes Maschinenbauteil geschraubt und erfasst dessen lokale Dehnung beziehungsweise Stauchung. Nach einer Kalibrierung mit einer bekannten Referenzlast kann aus dieser Strukturverformung auf die tatsächlich wirkende Maschinenkraft geschlossen werden.

Dieses Messprinzip ist besonders interessant, wenn eine bestehende Konstruktion nicht aufgetrennt oder mechanisch grundlegend verändert werden soll.

Entscheidend ist jedoch: Der Dehnungsaufnehmer misst nicht automatisch die gesamte Maschinenkraft. Er misst die lokale Verformung genau an seiner Montageposition. Montagefläche, Einbauort, Schraubvorspannung, Struktursteifigkeit, Temperatur und Kalibrierung bestimmen deshalb wesentlich die Qualität des späteren Kraftsignals.

Ein besonders passendes Produkt aus dem ICS-Portfolio ist der WIKA F9302 Dehnungsaufnehmer. Er ist für die Nachrüstung an bestehenden Konstruktionen vorgesehen, wird mit zwei Schrauben befestigt und besitzt einen integrierten Verstärker mit 4–20-mA-Ausgang.

Für Anwendungen mit mehreren Messstellen oder klassischem DMS-Brückensignal steht außerdem der WIKA F9846 Dehnungsaufnehmer zur Verfügung.

Weitere Lösungen finden Sie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.

Wie funktioniert ein Dehnungsaufnehmer?

Wird ein Maschinenbauteil mechanisch belastet, verformt es sich innerhalb seines elastischen Bereiches geringfügig.

Je nach Belastungsrichtung entsteht:

• Dehnung,
• Stauchung,
• Biegung,
• eine Kombination mehrerer Verformungsarten.

Die auftretenden Längenänderungen sind häufig sehr klein und werden üblicherweise in:

µε

beziehungsweise Microstrain angegeben.

Dabei gilt:

1 µε = 1 µm/m

Beispiel

Eine Maschinenstrebe mit einer Ausgangslänge von:

1.000 mm

erfährt eine Dehnung von:

200 µε

Das entspricht einer tatsächlichen Längenänderung von lediglich:

0,2 mm

Ein Dehnungsaufnehmer erfasst diese sehr kleine Verformung und wandelt sie in ein elektrisch auswertbares Signal um.

Warum ist die Kraftmessung indirekt?

Ein klassischer Kraftaufnehmer befindet sich direkt im Kraftfluss.

Die gesamte zu messende Kraft wird gezielt durch seinen Messkörper geleitet.

Bei einem nachgerüsteten Dehnungsaufnehmer ist das anders.

Er wird auf einer bereits vorhandenen Maschinenstruktur befestigt und misst deren lokale Verformung.

Der gemessene Wert hängt deshalb nicht nur von der Kraft ab

sondern beispielsweise auch von:

• Bauteilgeometrie,
• Werkstoff,
• Querschnitt,
• Lastpfad,
• Einspannbedingungen,
• Montageposition des Sensors.

Zwei baugleiche Dehnungsaufnehmer können deshalb an zwei unterschiedlichen Positionen derselben Maschine bei identischer Maschinenkraft völlig unterschiedliche Dehnungswerte messen.

Der Sensor wird erst zusammen mit dem Maschinenbauteil und einer geeigneten Kalibrierung zu einem Kraftmesssystem.

Zusammenhang zwischen Dehnung, Spannung und Kraft

Innerhalb des elastischen Werkstoffbereiches besteht grundsätzlich ein Zusammenhang zwischen mechanischer Dehnung und Spannung.

Für einen einfachen einachsigen Belastungszustand gilt näherungsweise das Hookesche Gesetz:

σ = E · ε

mit:

• σ = mechanische Spannung,
• E = Elastizitätsmodul,
• ε = Dehnung.

Bei einer einfachen axial belasteten Struktur kann außerdem gelten:

F = σ · A

und damit theoretisch:

F = E · ε · A

In realen Maschinen ist dieser Zusammenhang jedoch häufig wesentlich komplexer

Maschinenrahmen besitzen:

• Schweißnähte,
• Bohrungen,
• Verstärkungsrippen,
• wechselnde Querschnitte,
• mehrere parallele Kraftpfade,
• lokale Biegemomente.

Eine reine rechnerische Umrechnung von µε in kN ist deshalb in der Praxis häufig nicht ausreichend.

Die zuverlässigere Methode ist die Kalibrierung der fertig montierten Messeinheit mit bekannten Referenzkräften.

Wann lohnt sich die Nachrüstung?

Dehnungsaufnehmer sind besonders interessant, wenn bereits vorhandene Maschinen nachträglich um eine Kraft- oder Lastüberwachung ergänzt werden sollen.

Typische Anwendungen sind

• Presskraftüberwachung,
• Stanz- und Prägemaschinen,
• Spritzgießmaschinen,
• Maschinenrahmen,
• Behälterstützen,
• Stahlkonstruktionen,
• Baumaschinen,
• Windkraftanlagen,
• Siloverwiegung und Lastüberwachung.

Vorteil gegenüber einem direkten Kraftaufnehmer

Die bestehende Konstruktion muss häufig nicht aufgetrennt werden.

Der Dehnungsaufnehmer kann auf einer geeigneten Strukturfläche nachgerüstet werden.

Das kann insbesondere bei großen Maschinen wirtschaftlich deutlich einfacher sein als der nachträgliche Einbau eines Kraftaufnehmers in den Hauptkraftfluss.

Die richtige Messstelle an der Maschine finden

Die Auswahl der Sensorposition gehört zu den wichtigsten Schritten der Nachrüstung.

Ideal ist ein Bereich, in dem sich die gewünschte Maschinenkraft als ausreichend große und reproduzierbare Dehnung bemerkbar macht.

Geeignet sind Bereiche mit

• klar definiertem Kraftfluss,
• ausreichender elastischer Verformung,
• möglichst geringer lokaler Biegung,
• guter mechanischer Zugänglichkeit,
• reproduzierbarer Belastung.

Ungeeignet können Bereiche direkt neben

• Schraubenlöchern,
• Schweißnähten,
• starken Querschnittssprüngen,
• Verstärkungsrippen,
• Krafteinleitungsstellen

sein.

Dort entstehen häufig lokale Spannungsspitzen, deren Verhalten nicht repräsentativ für den eigentlichen Maschinenkraftverlauf ist.

Bei komplexen Konstruktionen

kann die geeignete Sensorposition vorab durch:

• Finite-Elemente-Berechnung,
• temporäre DMS-Messung,
• Messung an mehreren möglichen Positionen

ermittelt werden.

Biegung und lokale Spannungsspitzen vermeiden

Ein Dehnungsaufnehmer soll möglichst die Verformung erfassen, die eindeutig mit der gewünschten Maschinenkraft zusammenhängt.

Bei zusätzlicher Biegung können jedoch unterschiedliche Dehnungen auf den gegenüberliegenden Seiten eines Bauteils auftreten.

Beispiel

Eine Stütze wird ideal axial mit:

100 kN

belastet.

Ist die Last jedoch leicht exzentrisch eingeleitet, entsteht zusätzlich ein Biegemoment.

Auf einer Seite kann dann eine deutlich höhere Stauchung entstehen als auf der gegenüberliegenden Seite.

Ein einzelner Sensor würde diese lokale Kombination aus Axialkraft und Biegung erfassen.

Mögliche Maßnahmen

• Sensor näher an einer für Biegung weniger empfindlichen Position montieren,
• zwei gegenüberliegende Sensoren verwenden,
• Messwerte mehrerer Sensoren mitteln,
• Krafteinleitung mechanisch verbessern.

Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen kann eine symmetrische Mehrsensorlösung die unerwünschte Biegeabhängigkeit deutlich reduzieren.

Montagefläche richtig vorbereiten

Die Dehnung des Maschinenbauteils wird über die Kontaktflächen und die Verschraubung mechanisch auf den Dehnungsaufnehmer übertragen.

Eine mangelhafte Montagefläche wirkt deshalb unmittelbar auf die Messqualität.

Die Fläche sollte

• eben,
• sauber,
• metallisch tragfähig,
• frei von Lack, Rost und Schmutz,
• frei von Graten

sein.

Beim WIKA F9302 ist für die Montagefläche als Mindestanforderung eine Ebenheit von:

0,05 mm

und eine Oberflächenrauheit von:

Rz = 16

angegeben.

Lack zwischen Sensor und Maschine ist problematisch

Eine Beschichtung kann sich:

• setzen,
• kriechen,
• unter wechselnder Last bewegen.

Dadurch kann sich die mechanische Übertragung zwischen Maschine und Sensor verändern.

Die Montagefläche ist daher funktionaler Bestandteil der Messkette.

Sensor zur Dehnungsrichtung ausrichten

Der Sensor sollte so montiert werden, dass seine empfindliche Messrichtung möglichst mit der relevanten Dehnungsrichtung der Maschinenstruktur übereinstimmt.

Bei einer axial belasteten Stütze

sollte die Messachse beispielsweise parallel zur Kraft- beziehungsweise Dehnungsrichtung verlaufen.

Eine verdrehte Montage kann

• den nutzbaren Signalhub reduzieren,
• Quer- oder Biegeeinflüsse erhöhen,
• die Kalibrierbarkeit verschlechtern.

Vor dem Bohren der Befestigungsgewinde sollte die gewünschte Orientierung deshalb eindeutig festgelegt und dokumentiert werden.

Schraubvorspannung und Kraftschluss

Die Verformung der Maschinenstruktur muss zuverlässig auf den Sensor übertragen werden.

Dazu wird der Dehnungsaufnehmer kraftschlüssig mit dem Bauteil verbunden.

Die Befestigungsschrauben erzeugen die notwendige Kontaktpressung zwischen Sensor und Maschinenoberfläche.

Zu geringe Schraubenvorspannung

kann zu:

• Mikrobewegungen,
• Schlupf,
• Hysterese,
• schlechter Wiederholbarkeit

führen.

Ungleichmäßiges Anziehen

kann den Sensor bereits während der Montage mechanisch beeinflussen und einen unnötig großen Nullpunktversatz verursachen.

Beim WIKA F9302 werden die beiden M6-Befestigungsschrauben gleichmäßig mit:

12 Nm

angezogen.

Bei wiederholter Montage sollte dieselbe mechanische Vorgehensweise verwendet werden. Unterschiedliche Montagebedingungen können zu einem anderen Nullsignal oder einer veränderten Empfindlichkeit führen.

Nullsignal nach der Montage richtig bewerten

Nach der mechanischen Montage kann das Ausgangssignal des Sensors bereits von seinem unbelasteten Ausgangszustand abweichen.

Ursachen können sein:

• Montagevorspannung,
• Restspannung im Maschinenbauteil,
• ungleichmäßiges Anziehen,
• bereits vorhandene Maschinenlast,
• Temperaturzustand.

Deshalb muss ein definierter mechanischer Nullzustand festgelegt werden

Dieser kann beispielsweise bedeuten:

• Maschine betriebsbereit, aber ohne Prozesskraft,
• Werkzeug montiert, aber unbelastet,
• definierte Temperatur nach Warmlauf.

Erst in diesem Zustand sollte der elektrische Nullpunkt beziehungsweise die spätere Kraftskalierung festgelegt werden.

Ein Nullpunkt ohne klar definierte Maschinenbedingung ist nur eingeschränkt reproduzierbar.

Einfluss der Maschinensteifigkeit

Der Dehnungsaufnehmer nutzt die elastische Verformung der Maschine als Messkörper.

Ändert sich die Struktursteifigkeit, kann sich deshalb auch die Beziehung zwischen Kraft und Sensorsignal verändern.

Einfluss haben beispielsweise

• Werkzeugwechsel,
• veränderte Verschraubungen,
• zusätzliche Verstrebungen,
• Reparaturschweißungen,
• Änderung der Maschinenlagerung,
• Spiel in Führungen oder Gelenken.

Eine Kraftkalibrierung sollte deshalb überprüft werden, wenn die mechanische Struktur im relevanten Kraftpfad verändert wurde.

Temperaturdrift richtig berücksichtigen

Temperatur ist bei einer indirekten Kraftmessung besonders wichtig, weil nicht nur der Sensor selbst, sondern auch die Maschinenstruktur temperaturabhängig arbeitet.

Der Sensor kann temperaturabhängig verändern

• Nullsignal,
• Kennwert beziehungsweise Empfindlichkeit.

Beim WIKA F9302 ist eine temperaturkompensierte Wheatstonesche Brückenschaltung integriert.

Für den Sensor werden unter anderem folgende Temperatureinflüsse angegeben:

Nullsignal: 0,1 % / 10 K

und:

Kennwert: 0,3 % / 10 K

Zusätzlich verändert sich aber auch die Maschine selbst

Temperaturänderungen können:

• thermische Längenänderungen erzeugen,
• Vorspannungen innerhalb der Konstruktion verändern,
• Kontaktverhältnisse beeinflussen,
• die Kraftverteilung innerhalb der Maschine verändern.

Ein temperaturkompensierter Sensor kann diese realen mechanischen Änderungen der Maschine nicht vollständig kompensieren.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte deshalb möglichst unter repräsentativen Betriebstemperaturen kalibriert und gegebenenfalls zusätzlich die Maschinentemperatur erfasst werden.

Warum eine Referenzlast erforderlich ist

Nach der Montage liefert der Dehnungsaufnehmer zunächst ein Signal für die lokale Strukturdehnung.

Um daraus eine Maschinenkraft in:

kN

zu bestimmen, wird eine bekannte Referenzlast benötigt.

Beispiel

Eine Presse wird mit einem geeigneten Referenzkraftaufnehmer belastet.

Bei:

0 kN

beträgt der Ausgang:

4,00 mA

Bei:

500 kN

beträgt der Ausgang:

16,10 mA

Bei:

650 kN

werden:

20,00 mA

erreicht.

Aus diesen Referenzpunkten kann die Kraftkennlinie der gesamten Kombination aus:

• Maschinenstruktur,
• Montageposition,
• Dehnungsaufnehmer,
• Messverstärker

bestimmt werden.

Der Sensor besitzt danach für genau diese Einbausituation die Funktion eines Kraftaufnehmers.

Mehrpunktkalibrierung und Linearität

Ein einfacher Zweipunktabgleich mit 0 % und 100 % reicht nicht immer aus, um das Verhalten einer realen Maschinenstruktur vollständig zu beurteilen.

Deshalb ist eine Mehrpunktprüfung empfehlenswert.

Beispielsweise bei

• 0 %,
• 25 %,
• 50 %,
• 75 %,
• 100 %

der vorgesehenen Maschinenlast.

Damit lassen sich erkennen

• Nichtlinearitäten,
• Änderungen des Kraftpfades,
• mechanisches Spiel,
• Setzeffekte,
• Hysterese.

Bei Bedarf sollte die Prüfung sowohl mit steigender als auch mit fallender Kraft durchgeführt werden.

Wiederholbarkeit der Maschinenbelastung prüfen

Ein einzelner korrekter Messpunkt reicht nicht aus, wenn die gleiche Referenzlast bei jeder Wiederholung ein anderes Sensorsignal erzeugt.

Beispiel

Belastung	Messung 1	Messung 2	Messung 3
300 kN	11,42 mA	11,39 mA	11,41 mA

Diese Werte sprechen für eine gute Wiederholbarkeit.

Deutlich größere Schwankungen können dagegen hinweisen auf

• bewegte Kontaktstellen,
• Schlupf an der Sensorbefestigung,
• wechselnden Kraftfluss,
• Spiel in der Maschine,
• temperaturabhängige Strukturänderungen.

Vor einer elektronischen Nachkorrektur sollte deshalb zunächst die mechanische Ursache untersucht werden.

Statische und dynamische Kräfte messen

Dehnungsaufnehmer können je nach Ausführung sowohl für statische als auch für dynamische Messaufgaben eingesetzt werden.

Beim F9302 ist eine Grenzfrequenz von:

< 2 kHz (-3 dB)

angegeben.

Damit können beispielsweise

• Presskraftverläufe,
• Stanzvorgänge,
• Lastspitzen,
• wiederkehrende Maschinenzyklen

erfasst werden.

Die tatsächlich nutzbare Dynamik des Gesamtsystems hängt zusätzlich von:

• Maschinenstruktur,
• Signalaufbereitung,
• Messdatenerfassung,
• Filtereinstellungen

ab.

4–20 mA oder mV/V?

Je nach Anwendung stehen unterschiedliche Sensorkonzepte zur Verfügung.

Integrierter 4–20-mA-Verstärker

Der WIKA F9302 besitzt einen integrierten Verstärker und liefert:

4 … 20 mA

in 3-Leitertechnik.

Das ist besonders praktisch für:

• SPS-Anbindung,
• lange Leitungswege,
• industrielle Maschinensteuerungen,
• Nachrüstungen ohne separaten DMS-Verstärker.

Direktes mV/V-Brückensignal

Der WIKA F9846 arbeitet dagegen mit einem DMS-Brückensignal von nominal:

1,0 ±0,15 mV/V

.

Dieses Signal benötigt einen geeigneten Messverstärker oder eine entsprechende Auswerteeinheit.

Das kann besonders interessant sein, wenn mehrere Sensoren gemeinsam ausgewertet oder spezielle Messverstärker eingesetzt werden sollen.

Mehrere Dehnungsaufnehmer kombinieren

Große Maschinen besitzen häufig mehrere parallele Lastpfade.

Ein einzelner Sensor erfasst dann möglicherweise nur die Belastung eines Teilbereiches.

Beispiel

Eine Presse besitzt vier vertikale Säulen.

Ein Sensor an nur einer Säule misst die dort auftretende Dehnung.

Bei asymmetrischer Werkzeugbelastung verteilt sich die Kraft jedoch nicht zwangsläufig gleichmäßig auf alle vier Säulen.

Eine Mehrsensorlösung kann deshalb Vorteile bieten

Mit Sensoren an mehreren strukturell vergleichbaren Positionen können:

• Gesamtlasten besser abgeschätzt,
• asymmetrische Belastungen erkannt,
• Biegeeinflüsse reduziert,
• Lastverteilungen überwacht

werden.

Die mathematische Verknüpfung der einzelnen Signale muss dabei während der Kalibrierung bestimmt werden.

Praxisbeispiel: Presskraft nachträglich erfassen

Bei einer bestehenden hydraulischen Presse soll die tatsächliche Presskraft künftig während jedes Produktionszyklus überwacht werden.

Ein direkter Kraftaufnehmer kann konstruktiv nicht ohne größere Umbauten eingebaut werden.

1. Geeignete Messstelle bestimmen

Die Seitenständer der Presse werden bei Belastung elastisch gedehnt.

Messungen zeigen, dass ein mittlerer Bereich des Ständers eine ausreichend große und reproduzierbare Längsdehnung besitzt.

2. Montagefläche vorbereiten

Die Montageposition wird:

• von Lack befreit,
• plan vorbereitet,
• gereinigt.

Die Gewindebohrungen werden exakt entsprechend der Sensorgeometrie hergestellt.

3. Dehnungsaufnehmer montieren

Der Sensor wird in Richtung der Hauptdehnung ausgerichtet und mit den vorgesehenen M6-Schrauben gleichmäßig befestigt.

Das Anschlusskabel wird mechanisch zugentlastet und darf den Sensor nicht verspannen.

4. Maschine in definierten Nullzustand bringen

Werkzeug und normale Maschinenkomponenten bleiben montiert, es wirkt jedoch keine Presskraft.

Dieser Zustand wird als:

0 kN

festgelegt.

5. Referenzkraft aufbringen

Mit einem geeigneten Referenzkraftmesssystem werden mehrere bekannte Kräfte erzeugt:

100 kN

250 kN

400 kN

500 kN

6. Kennlinie bestimmen

Zu jeder Referenzkraft wird das Ausgangssignal des Dehnungsaufnehmers gespeichert.

Die daraus gebildete Kennlinie wird in der SPS hinterlegt.

7. Wiederholungsprüfung

Die Belastungsreihe wird mehrfach wiederholt.

Erst wenn Nullpunkt, Steigung und Wiederholbarkeit ausreichend stabil sind, wird die Messstelle für den Produktionsbetrieb freigegeben.

8. Temperatur berücksichtigen

Die Presse erwärmt sich während einer Schicht deutlich.

Deshalb wird zusätzlich geprüft, ob dieselbe Referenzkraft im kalten und warmen Zustand ausreichend vergleichbare Messwerte erzeugt.

Dieses Beispiel zeigt den wesentlichen Unterschied zu einem direkt kalibrierten Kraftaufnehmer: Die Maschinenstruktur wird selbst zum Messkörper und ist damit Bestandteil der Kalibrierung.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Messwert nach Montage nicht reproduzierbar	unterschiedliche Schraubvorspannung	Befestigung und Anzugsmoment prüfen
Signal springt bei Lastwechsel	Schlupf zwischen Sensor und Montagefläche	Oberfläche und Verschraubung kontrollieren
Großer Nullpunktversatz unmittelbar nach Montage	Montageverspannung oder unebene Fläche	Fläche und gleichmäßiges Anziehen prüfen
Kraftanzeige ändert sich mit Maschinentemperatur	Sensor- und Strukturtemperatur beeinflussen Messung	Temperatur mit erfassen und Warmzustand prüfen
Messung stimmt bei kleiner Last, aber nicht bei hoher Last	Nichtlinearität des Maschinenkraftpfades	Mehrpunktkalibrierung durchführen
Unterschiedliche Werte bei steigender und fallender Last	mechanische Hysterese oder Spiel	Belastungs- und Entlastungsreihe vergleichen
Messwert reagiert stark auf seitliche Belastung	Biegeeinfluss an Sensorposition	andere Position oder mehrere Sensoren prüfen
Messwert ändert sich nach Werkzeugwechsel	Kraftpfad beziehungsweise Struktursteifigkeit verändert	Kalibrierung erneut verifizieren
Messung driftet langsam	Setzvorgang an Montagefläche oder Maschine	Befestigung und Nullpunkt über Zeit beobachten
Signal verrauscht	EMV-Einkopplung oder schlechte Leitungsführung	Kabel, Schirmung und Verlegung prüfen
Ein Sensor zeigt andere Last als gegenüberliegender Sensor	asymmetrische Maschinenbelastung	Lastverteilung und Werkzeugausrichtung prüfen
Kalibrierung stimmt nach Reparaturschweißung nicht mehr	Struktursteifigkeit beziehungsweise Restspannung verändert	Messsystem neu kalibrieren

Empfohlener Nachrüst- und Kalibrierablauf

1. Messaufgabe definieren: Festlegen, welche Maschinenkraft oder Last überwacht werden soll.
2. Maximale Belastung bestimmen: Normalbetrieb, Überlast und dynamische Spitzen berücksichtigen.
3. Kraftpfad analysieren: Ermitteln, welche Maschinenbauteile die relevante Kraft übertragen.
4. Geeignete Messstelle suchen: Möglichst reproduzierbare axiale Dehnung mit geringem Biegeeinfluss auswählen.
5. Erwartete Dehnung abschätzen: Sensorbereich passend zur Maschinenstruktur wählen.
6. Montagerichtung festlegen: Messachse zur relevanten Dehnungsrichtung ausrichten.
7. Montagefläche vorbereiten: Lack, Rost, Grate und Unebenheiten entfernen.
8. Bohrungen exakt herstellen: Sensor nicht durch fehlerhaften Lochabstand mechanisch verspannen.
9. Sensor gleichmäßig montieren: Vorgeschriebenes Schraubenanzugsmoment einhalten.
10. Kabel zugentlasten: Keine mechanischen Kräfte über die Anschlussleitung in den Sensor einleiten.
11. Elektrische Versorgung prüfen: Ausgangssignal und Messkette kontrollieren.
12. Definierten Nullzustand herstellen: Maschinenzustand eindeutig dokumentieren.
13. Nullsignal speichern: Erst nach vollständiger Montage und mechanischer Stabilisierung.
14. Referenzkraft aufbringen: Geeignetes und rückführbares Kraftmesssystem verwenden.
15. Mehrere Lastpunkte prüfen: Nicht nur Null- und Endpunkt erfassen.
16. Belastung wieder reduzieren: Hysterese überprüfen.
17. Messreihe wiederholen: Wiederholbarkeit beurteilen.
18. Kraftkennlinie erstellen: Sensorsignal in Maschinenkraft umrechnen.
19. Temperaturzustand dokumentieren: Kalibrierbedingungen festhalten.
20. Warmzustand prüfen: Bei relevanter Maschinenerwärmung Vergleichsmessung durchführen.
21. Grenzwerte festlegen: Überlast- und Plausibilitätsgrenzen definieren.
22. Kalibrierung dokumentieren: Montageposition, Schrauben, Lastpunkte und Kennlinie festhalten.
23. Nach mechanischen Änderungen erneut prüfen: Besonders nach Schweißarbeiten, Werkzeug- oder Strukturänderungen.

Passende Dehnungsaufnehmer bei ICS Schneider

WIKA F9302 – nachrüstbarer Dehnungsaufnehmer mit integriertem Verstärker

Der WIKA F9302 ist speziell für die Erfassung von Verformungen an bereits bestehenden massiven Bauteilen vorgesehen.

Typische Anwendungen sind:

• Spritzgießmaschinen,
• Pressen,
• Stanz- und Prägemaschinen,
• Stahlkonstruktionen,
• Behälterstützen,
• Windkraftanlagen,
• Baumaschinen.

Wichtige Eigenschaften sind:

• Dehnungsmessbereiche: 0 … ±200 µε, 0 … ±500 µε und 0 … ±1.000 µε,
• relative Linearitätsabweichung: ≤ ±2 % F_nom,
• Ausgangssignal: 4 … 20 mA, 3-Leiter,
• Versorgung: 10 … 36 V DC,
• Schutzart: IP67,
• Grenzfrequenz: < 2 kHz,
• integrierter digital programmierbarer Verstärker,
• statische und dynamische Messungen möglich.

Für die Montage werden zwei M6-Schrauben verwendet. Das vorgeschriebene Anzugsmoment beträgt:

12 Nm

Die Bauform mit integriertem Verstärker ist besonders für Nachrüstprojekte geeignet, bei denen das Signal unmittelbar an eine industrielle SPS oder Auswerteeinheit übertragen werden soll.

WIKA F9846 – Standard-Dehnungsaufnehmer mit DMS-Signal

Der WIKA F9846 ist ebenfalls für die Nachrüstung an bestehenden Strukturen ausgelegt.

Wichtige Merkmale sind:

• Messbereiche von 0 … ±200 µε bis 0 … ±1.000 µε,
• Gesamtfehler ≤ ±1 % F_nom,
• mV/V-DMS-Brückensignal,
• einfache Schraubmontage,
• Einsatz beispielsweise bei Siloverwiegung, Pressen, Stahlbau und Behälterstützen.

Der F9846 kann insbesondere interessant sein, wenn mehrere Dehnungsaufnehmer gemeinsam über eine separate Auswerteeinheit verarbeitet werden sollen.

Weitere Lösungen finden Sie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.

Fazit

Dehnungsaufnehmer sind eine besonders interessante Möglichkeit, bestehende Maschinen nachträglich um eine Kraft- oder Lastmessung zu erweitern.

Die Maschinenstruktur wird selbst zum Messkörper

Der Sensor misst die lokale elastische Verformung des vorhandenen Bauteils und nicht direkt die gesamte Maschinenkraft.

Die Position des Sensors entscheidet über das Signal

Die Messstelle sollte eine ausreichend große, reproduzierbare Dehnung bei möglichst geringem Biege- und Störkrafteinfluss aufweisen.

Die Montagefläche gehört zur Messkette

Unebenheiten, Beschichtungen oder schlechte Verschraubungen können die mechanische Übertragung und damit das Messergebnis beeinflussen.

Die Schraubvorspannung muss reproduzierbar sein

Nur ein stabiler Kraftschluss zwischen Maschine und Sensor ermöglicht eine reproduzierbare Dehnungsübertragung.

Temperatur beeinflusst Sensor und Maschine

Auch bei einem temperaturkompensierten Sensor können thermische Verformungen der Maschinenstruktur als reale Dehnung erfasst werden.

Eine Referenzlast ist für die Kraftskalierung entscheidend

Erst die Kalibrierung der kompletten Kombination aus Maschine, Sensorposition und Auswerteelektronik ermöglicht eine zuverlässige Umrechnung des Dehnungssignals in kN.

Nach mechanischen Änderungen muss neu geprüft werden

Werkzeugwechsel, Umbauten, Schweißarbeiten oder veränderte Kraftpfade können die bestehende Kraftkennlinie beeinflussen.

Für die Praxis gilt

Kraftpfad analysieren → geeignete Dehnungsstelle bestimmen → Biegeeinfluss minimieren → Montagefläche plan und sauber vorbereiten → Sensor korrekt ausrichten → Schrauben reproduzierbar anziehen → Kabel zugentlasten → definierten Nullzustand herstellen → mehrere bekannte Referenzkräfte aufbringen → Kennlinie bestimmen → Belastung und Entlastung vergleichen → Temperaturverhalten überprüfen → Kalibrierung dokumentieren → nach mechanischen Änderungen erneut verifizieren.

FAQ: Dehnungsaufnehmer an Maschinen nachrüsten

Was ist ein Dehnungsaufnehmer?

Ein Dehnungsaufnehmer erfasst die sehr kleine elastische Dehnung oder Stauchung eines Bauteils und wandelt sie in ein elektrisches Messsignal um.

Misst ein Dehnungsaufnehmer direkt die Kraft?

Nein. Er misst zunächst die lokale Strukturverformung. Die zugehörige Kraft wird anschließend über eine Kalibrierung der gesamten Einbausituation bestimmt.

Warum eignet sich ein Dehnungsaufnehmer zum Nachrüsten?

Weil er auf ein bereits bestehendes Maschinenbauteil geschraubt werden kann und deshalb häufig kein klassischer Kraftaufnehmer direkt in den Kraftfluss eingebaut werden muss.

Wo sollte der Sensor montiert werden?

An einer Stelle mit ausreichend großer und reproduzierbarer Dehnung, die möglichst eindeutig mit der gewünschten Maschinenkraft zusammenhängt.

Warum sollte der Sensor nicht direkt neben einer Schweißnaht montiert werden?

Dort können lokale Spannungskonzentrationen und Restspannungen auftreten, die nicht unbedingt repräsentativ für die gewünschte Maschinenkraft sind.

Warum ist Biegung problematisch?

Biegung erzeugt unterschiedliche Dehnungen auf verschiedenen Seiten eines Bauteils und kann dadurch das Signal eines einzelnen Sensors stark beeinflussen.

Wie kann Biegeeinfluss reduziert werden?

Durch eine geeignete Montageposition oder durch mehrere symmetrisch angeordnete Sensoren, deren Signale entsprechend ausgewertet werden.

Muss die Montagefläche bearbeitet werden?

Ja. Sie sollte eben, sauber, tragfähig und frei von Lack, Rost und Graten sein.

Welche Anforderungen gelten beim F9302 an die Montagefläche?

Als Mindestanforderung werden eine Ebenheit von 0,05 mm und eine Oberflächenrauheit von Rz = 16 angegeben.

Warum muss Lack unter dem Sensor entfernt werden?

Eine Beschichtung kann sich unter Belastung setzen oder bewegen und dadurch die Übertragung der Bauteildehnung auf den Sensor verändern.

Wie wird der WIKA F9302 befestigt?

Er wird mit zwei M6-Schrauben an der Maschinenstruktur befestigt.

Welches Anzugsmoment gilt beim F9302?

Für die M6-Befestigungsschrauben werden 12 Nm angegeben.

Warum ist das Anzugsmoment wichtig?

Die Verschraubung erzeugt den Kraftschluss zwischen Maschinenbauteil und Sensor. Unterschiedliche Montagebedingungen können die Messwertübertragung und den Nullpunkt beeinflussen.

Was bedeutet µε?

µε steht für Microstrain. 1 µε entspricht einer relativen Längenänderung von 1 µm pro Meter.

Welche Messbereiche besitzt der F9302?

Typische Messbereiche reichen von 0 … ±200 µε bis 0 … ±1.000 µε.

Welches Ausgangssignal besitzt der F9302?

Der Sensor verfügt über einen integrierten Verstärker und liefert ein 4–20-mA-Signal in 3-Leitertechnik.

Kann das Signal direkt an eine SPS angeschlossen werden?

Ein 4–20-mA-Eingang einer geeigneten SPS oder Messdatenerfassung kann für die Auswertung verwendet werden, sofern Versorgung und Anschluss entsprechend den Gerätedaten ausgeführt werden.

Warum muss der Sensor nach der Montage kalibriert werden?

Weil die Beziehung zwischen lokaler Dehnung und gesamter Maschinenkraft von der konkreten Maschinenstruktur und Sensorposition abhängt.

Wie wird die Kalibrierung durchgeführt?

Es werden bekannte Referenzkräfte auf die Maschine aufgebracht und die zugehörigen Sensorsignale gespeichert. Daraus wird die Kraftkennlinie bestimmt.

Reicht eine Kalibrierung bei nur einem Lastpunkt?

Für eine zuverlässige Beurteilung sind mehrere Lastpunkte sinnvoll, um Linearität, Wiederholbarkeit und Hysterese zu überprüfen.

Warum sollte auch die Entlastung gemessen werden?

Damit lässt sich feststellen, ob bei gleicher Kraft unterschiedliche Messwerte beim Be- und Entlasten auftreten.

Kann die Maschinentemperatur die Messung beeinflussen?

Ja. Neben der Temperaturabhängigkeit des Sensors kann sich die Maschinenstruktur selbst thermisch verformen.

Ist der F9302 temperaturkompensiert?

Ja. Im Sensor wird eine temperaturkompensierte Wheatstonesche Brückenschaltung eingesetzt.

Kann eine Temperaturkompensation alle Temperatureinflüsse beseitigen?

Nein. Sie kann Sensorfehler reduzieren, aber reale thermische Verformungen oder Änderungen des Kraftpfades innerhalb der Maschine nicht vollständig kompensieren.

Kann ein Dehnungsaufnehmer dynamische Kräfte messen?

Ja. Der F9302 ist für statische und dynamische Messaufgaben ausgelegt und besitzt eine Grenzfrequenz von weniger als 2 kHz bei -3 dB.

Was passiert nach einem Umbau der Maschine?

Wenn sich der Kraftpfad oder die Struktursteifigkeit verändert, sollte die bestehende Kraftkalibrierung erneut überprüft werden.

Kann man mehrere Dehnungsaufnehmer gleichzeitig verwenden?

Ja. Das kann bei mehreren Lastpfaden oder zur Reduzierung von Biegeeinflüssen sinnvoll sein.

Was ist der Unterschied zwischen F9302 und F9846?

Der F9302 besitzt einen integrierten Verstärker mit industriellem 4–20-mA-Ausgang. Der F9846 liefert ein klassisches DMS-Brückensignal und wird mit einer geeigneten externen Auswertung kombiniert.

Welcher Dehnungsaufnehmer eignet sich besonders für die Nachrüstung an Maschinen?

Der WIKA F9302 wurde speziell für die nachträgliche Montage an bestehenden massiven Konstruktionen entwickelt.

Wo finde ich weitere Kraft- und Dehnungssensoren?

Weitere Lösungen finden Sie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.