Eine Wägezelle wird mit 5.000 N belastet. Nach vollständiger Entlastung zeigt die Auswertung jedoch nicht wieder exakt 0 N, sondern beispielsweise +18 N. Einige Minuten später sinkt der Wert langsam auf +7 N und bleibt dort stehen.
Ist die Wägezelle damit bereits defekt? Nicht zwangsläufig. Ein nicht vollständig zurückkehrender Nullpunkt kann verschiedene Ursachen haben, die sich messtechnisch deutlich voneinander unterscheiden. Dazu gehören das normale zeitabhängige Verhalten des Sensors ebenso wie mechanische Verspannungen, Querkräfte, Reibung, Kabelkräfte, Temperaturänderungen, elektrische Drift oder eine vorausgegangene Überlastung.
Besonders wichtig ist deshalb der zeitliche Verlauf. Ein Signal, das sich nach einer längeren Belastung langsam wieder in Richtung des ursprünglichen Nullpunktes bewegt, verhält sich anders als ein Wert, der unmittelbar nach der Entlastung auf einem neuen festen Niveau stehen bleibt. Ebenso unterscheidet sich eine temperaturabhängige Nullpunktwanderung von einer Hysterese, die nur beim Vergleich steigender und fallender Belastung sichtbar wird.
In realen Maschinen ist außerdem häufig nicht die Wägezelle selbst die Hauptursache. Der Sensor ist Bestandteil eines mechanischen Kraftflusses. Bereits eine leicht schiefe Krafteinleitung, Reibung in einer Führung, ein zu steifer Schlauch oder ein unter Zug stehendes Anschlusskabel können dafür sorgen, dass nach der Entlastung noch eine kleine Restkraft auf den Sensor wirkt.
Eine elektrische Nullstellung kann einen solchen Effekt zwar aus der Anzeige entfernen, beseitigt aber nicht seine Ursache. Besonders nach einer möglichen Überlastung wäre ein einfaches erneutes Tarieren sogar problematisch, weil eine plastische Verformung des Federkörpers oder eine veränderte Kennlinie dadurch verborgen werden könnte.
Für eine belastbare Diagnose sollte deshalb immer der gesamte Signal- und Kraftweg betrachtet werden: von der eigentlichen Krafteinleitung über die Wägezelle und das Anschlusskabel bis zum Messverstärker und zur SPS. Besonders aussagekräftig ist schließlich der Vergleich zwischen eingebautem Zustand und einem definierten Referenzaufbau.
Die wichtigste Diagnosefrage lautet deshalb nicht nur: „Wie groß ist der Nullpunktfehler?“, sondern: „Wann entsteht die Abweichung, wie verändert sie sich während Belastung, Entlastung und anschließender Wartezeit – und bleibt sie bestehen, wenn mechanische Nebeneinflüsse ausgeschlossen werden?“
Warum kehrt eine Wägezelle normalerweise auf Null zurück?
Eine klassische DMS-Wägezelle besitzt einen elastischen Federkörper. Wird eine Kraft eingeleitet, verformt sich dieser Körper geringfügig. Aufgebrachte Dehnungsmessstreifen erfassen diese mechanische Dehnung als Widerstandsänderung. Über eine Wheatstone-Brücke entsteht daraus ein elektrisches Ausgangssignal, das bei passiven Wägezellen typischerweise in mV/V angegeben wird.
Solange der Federkörper innerhalb seines zulässigen elastischen Bereiches belastet wird, sollte er nach dem Entfernen der Kraft weitgehend in seinen ursprünglichen mechanischen Zustand zurückkehren. Entsprechend sollte auch das Ausgangssignal wieder in die Nähe des ursprünglichen Nullwertes gelangen.
In einem realen Sensor ist diese Rückkehr jedoch niemals mathematisch vollkommen ideal. Federkörper, Dehnungsmessstreifen, Klebe- und Verbindungsschichten sowie Temperatur- und Montageeinflüsse führen zu kleinen Abweichungen. Genau deshalb werden für hochwertige Wägezellen Kennwerte wie Hysterese, Kriechen, Wiederholbarkeit und Temperatureffekt auf den Nullpunkt spezifiziert.
Wichtig ist die Größenordnung. Eine kleine, spezifikationskonforme Abweichung gehört zum realen Messverhalten. Eine plötzlich stark veränderte oder nicht reproduzierbare Nullpunktrückkehr kann dagegen auf ein Problem in Sensor, Montage oder kompletter Messkette hinweisen.
Kriechen, Hysterese und Nullpunktrückkehr unterscheiden
In der Praxis werden sehr unterschiedliche Effekte häufig pauschal als „Nullpunktdrift“ bezeichnet. Für eine systematische Fehlersuche ist diese Zusammenfassung jedoch zu ungenau. Entscheidend ist, zu welchem Zeitpunkt der Fehler entsteht und wie sich das Signal anschließend verhält.
| Effekt | Typisches Signalverhalten | Wann wird er sichtbar? | Typischer Diagnoseansatz |
|---|---|---|---|
| Kriechen | Signal verändert sich langsam trotz unveränderter Last | während die Belastung weiterhin anliegt | Last konstant halten und Zeitverlauf beobachten |
| Kriecherholung | Signal läuft nach Entlastung langsam Richtung Ausgangsnull | nach längerer Belastung | Nullpunkt über definierte Wartezeiten aufzeichnen |
| Hysterese | gleicher Kraftwert ergibt beim Be- und Entlasten unterschiedliche Anzeigen | bei auf- und absteigender Lastreihe | identische Zwischenpunkte vergleichen |
| Mechanische Verspannung | Nullwert hängt von Montageposition oder mechanischem Zustand ab | häufig unmittelbar nach Belastungswechsel | Schrauben, Auflagen und Krafteinleitung prüfen |
| Temperaturdrift | Nullpunkt wandert mit Sensor- oder Umgebungstemperatur | während thermischer Änderung | Temperatur und Nullpunkt zeitgleich beobachten |
| Überlastschaden | neuer dauerhafter Nullpunkt oder veränderte Kennlinie | nach außergewöhnlicher Belastung | komplette Sensorcharakteristik prüfen |
Die Unterscheidung ist deshalb so wichtig, weil die Gegenmaßnahmen vollkommen unterschiedlich sind. Eine mechanische Verspannung lässt sich nicht durch einen neuen Nullabgleich beheben. Eine normale Kriecherholung wiederum ist nicht automatisch ein Hinweis auf eine dauerhaft beschädigte Wägezelle.
Was ist Kriechen bei einer Wägezelle?
Kriechen beziehungsweise Creep beschreibt die zeitabhängige Änderung des Ausgangssignals bei konstant gehaltener Belastung. Die äußere Kraft bleibt unverändert, während sich der angezeigte Messwert langsam verändert.
Eine Wägezelle wird beispielsweise mit 10.000 N belastet. Unmittelbar nach dem Aufbringen der Last zeigt die Auswertung 10.002 N. Die Kraft wird anschließend über 30 Minuten unverändert gehalten. Danach zeigt das System beispielsweise 10.009 N.
Die mechanische Belastung hat sich nicht verändert, das elektrische Ausgangssignal dagegen schon. Genau diese zeitabhängige Differenz beschreibt das Kriechverhalten.
Der Effekt entsteht aus dem zeitabhängigen Verhalten des gesamten elastischen Messsystems einschließlich Federkörper, DMS und deren Verbindung zum Grundkörper. Die zulässige Größenordnung wird im Datenblatt normalerweise für eine definierte Last und eine definierte Beobachtungszeit angegeben.
Kriechen wird bei weiterhin anliegender konstanter Last bewertet. Ein Restwert nach vollständiger Entlastung darf deshalb nicht automatisch als Creep bezeichnet werden.
Was bedeutet Kriecherholung nach der Entlastung?
Nach längerer Belastung kann das Signal auch nach vollständigem Entfernen der Kraft noch zeitabhängig reagieren. Dieser Effekt wird als Creep Recovery beziehungsweise Kriecherholung bezeichnet.
Vor der Belastung zeigt die Wägezelle beispielsweise 0 N. Unmittelbar nach einer längeren Belastungsphase und anschließender vollständiger Entlastung stehen zunächst +20 N in der Anzeige. Nach einigen Minuten sinkt der Wert auf +9 N und später weiter auf +3 N.
Ein solcher Verlauf ist messtechnisch deutlich anders zu beurteilen als ein Nullpunkt, der nach der Entlastung unmittelbar auf +20 N springt und dort über längere Zeit praktisch konstant bleibt.
Gerade deshalb sollten Restwerte nach Entlastung immer zusammen mit einer Zeitangabe dokumentiert werden. Die Aussage „Nullpunktfehler 20 N“ ist deutlich weniger wertvoll als die Information „20 N unmittelbar nach Entlastung, 9 N nach 5 Minuten und 3 N nach 30 Minuten“.
Was ist Hysterese?
Hysterese beschreibt den Unterschied im Ausgangssignal bei derselben Kraft, abhängig davon, ob dieser Lastpunkt aus einer niedrigeren oder aus einer höheren Belastung heraus erreicht wird.
Bei einer Wägezelle mit einem Messbereich von 0...10 kN werden während der steigenden Belastungsreihe bei 5 kN beispielsweise 5,001 kN angezeigt. Anschließend wird bis 10 kN weiterbelastet und die Kraft danach wieder reduziert. Beim erneut erreichten Punkt von 5 kN zeigt das System nun 5,008 kN.
Der Unterschied zwischen beiden Anzeigen gehört zum Hystereseverhalten der kompletten Messstelle. Dabei muss allerdings unterschieden werden, ob die Differenz tatsächlich vom Sensor stammt oder durch Reibung, mechanische Verspannung beziehungsweise eine nicht reproduzierbare Krafteinleitung erzeugt wird.
Eine aussagekräftige Hystereseprüfung benötigt deshalb immer eine aufsteigende und eine absteigende Belastungsreihe mit mehreren identischen Zwischenpunkten. Ein einzelner Nullpunkt nach einer Belastung reicht dafür nicht aus.
Mechanische Verspannung als häufige Ursache
In Maschinen und Prüfständen liegt die Ursache für eine schlechte Nullpunktrückkehr häufig außerhalb der eigentlichen Wägezelle. Der Sensor ist Bestandteil eines mechanischen Kraftflusses. Wenn dieser Kraftfluss beim Be- und Entlasten nicht vollständig reversibel ist, bleibt nach der Entlastung eine kleine Kraft oder ein Moment auf dem Sensor bestehen.
Typische Ursachen sind nicht plane Auflageflächen, schief montierte Krafteinleitungsteile, verspannte Schraubverbindungen, fehlende Gelenke, Verformungen des Maschinenrahmens oder seitlicher Kontakt mit Anschlägen und Führungen.
Besonders aufschlussreich ist eine Veränderung des Nullpunktes durch gezielte mechanische Eingriffe. Springt der Messwert beispielsweise deutlich, sobald eine Montageschraube leicht gelöst oder die Krafteinleitung bewegt wird, spricht dies stark für eine mechanische Ursache.
Ein erneuter elektrischer Nullabgleich würde in diesem Fall lediglich die aktuell vorhandene Restkraft kompensieren. Beim nächsten Belastungszyklus kann sich die Mechanik erneut anders setzen und ein neuer Nullpunktfehler entstehen.
Querkräfte und außermittige Belastung erkennen
Kraftaufnehmer sind für eine definierte Hauptmessrichtung ausgelegt. Zusätzliche Querkräfte, Seitenkräfte, Biege- und Torsionsmomente oder eine außermittige Krafteinleitung können das Ausgangssignal und die mechanische Rückkehr beeinflussen.
Besonders kritisch ist eine Konstruktion, bei der sich die Mechanik unter Last geringfügig verschiebt. Beim anschließenden Entlasten kann sie aufgrund von Reibung oder Spiel in einer etwas anderen Position stehen bleiben. Der Kraftaufnehmer wird dann weiterhin durch eine kleine seitliche Kraft oder ein Restmoment belastet.
In der Anzeige kann dieser Effekt wie Sensorhysterese oder schlechte Nullpunktrückkehr aussehen, obwohl die Ursache in der Krafteinleitung liegt.
Bei präzisen Prüfständen sollten unvermeidbare Fluchtungsfehler deshalb durch geeignete Krafteinleitungsteile, Gelenkköpfe, Druckstücke oder andere für den Sensor vorgesehene Komponenten ausgeglichen werden.
Reibung und Kraftnebenschlüsse ausschließen
Bei einer Kraft- oder Gewichtsmessung muss die zu bestimmende Kraft möglichst vollständig über den vorgesehenen Sensor fließen. Ein zusätzlicher unbeabsichtigter Kraftpfad wird als Kraftnebenschluss bezeichnet.
Bei einer Behälterwaage kann beispielsweise eine starre Rohrleitung einen Teil des Behältergewichtes aufnehmen. Bei einer Plattform kann eine Seitenführung am Rahmen schleifen. In einem Prüfstand kann ein Anschlag nach der Belastung weiterhin leicht anliegen.
Besonders kritisch ist Reibung. Eine reibende Verbindung kann sich beim Belasten in eine Richtung verschieben und beim Entlasten aufgrund der Haftreibung in einer leicht anderen Position stehen bleiben. Dadurch ist die Kraftverteilung nach dem Zyklus nicht mehr identisch mit dem Ausgangszustand.
Das Ergebnis können schlechte Nullpunktrückkehr, scheinbare Hysterese und unzureichende Wiederholbarkeit sein. Je höher die geforderte Messgenauigkeit ist, desto wichtiger wird deshalb eine möglichst reibungsarme und reproduzierbare mechanische Krafteinleitung.
Warum bereits das Anschlusskabel den Nullpunkt beeinflussen kann
Auch ein elektrisches Anschlusskabel besitzt eine mechanische Steifigkeit. Es verhält sich vereinfacht wie eine kleine Feder, die eine zusätzliche Kraft auf den Sensor beziehungsweise den beweglichen Aufbau übertragen kann.
Bei großen Messbereichen ist diese Kraft häufig vernachlässigbar. Bei kleinen Wägezellen oder hochauflösenden Kraftmessungen kann sie dagegen deutlich sichtbar werden. Besonders ungünstig sind gespannte Kabel, ein scharfer Bogen direkt am Sensorausgang oder eine Kabelführung, die sich während des Belastungszyklus bewegt.
Ein einfacher Test besteht darin, den Sensor vollständig zu entlasten und anschließend die Kabelposition vorsichtig zu verändern. Wandert der Messwert reproduzierbar mit der Kabelbewegung, liegt eine mechanische Rückwirkung vor.
Das Kabel sollte deshalb möglichst spannungsfrei, mit geeignetem Biegeradius und so geführt werden, dass seine Lage bei wiederholten Belastungszyklen möglichst konstant bleibt.
Temperaturänderung oder mechanischer Fehler?
Auch Temperaturänderungen können den Nullpunkt einer DMS-Wägezelle beeinflussen. Deshalb besitzen Kraftaufnehmer Datenblattangaben für den Temperatureffekt auf den Nullpunkt und häufig auch auf die Empfindlichkeit.
Eine typische Situation entsteht, wenn ein kalter Sensor in einen warmen Prüfraum gebracht und unmittelbar in Betrieb genommen wird. Ebenso können Motoren, Hydraulikaggregate oder Sonneneinstrahlung die Temperatur des Aufnehmers und seiner mechanischen Umgebung verändern.
Auch nach dem Einschalten der Brückenspeisung kann eine gewisse thermische Stabilisierung stattfinden. Für genaue Messungen sollten Sensor und Elektronik deshalb vor einer Nullpunktbewertung ausreichend lange unter stabilen Bedingungen betrieben werden.
Ein typischer Hinweis auf Temperaturdrift ist, dass sich der Nullpunkt langsam parallel zur Sensor- oder Umgebungstemperatur verändert, auch ohne vorhergehenden Belastungszyklus.
Bleibende Nullpunktverschiebung nach Überlastung
Eine deutlich kritischere Ursache ist eine mechanische Überlastung. Wird der zulässige Belastungsbereich des Federkörpers überschritten, kann dieser den rein elastischen Bereich verlassen und sich plastisch verformen.
Nach der Entlastung kehrt der Sensor dann nicht mehr vollständig in seinen ursprünglichen mechanischen Zustand zurück. Typische Hinweise können ein plötzlich deutlich veränderter Nullpunkt, eine geänderte Empfindlichkeit, höhere Hysterese oder schlechtere Linearität sein.
Überlast bedeutet dabei nicht ausschließlich eine zu hohe axiale Kraft. Auch Stoßbelastungen, seitliche Kräfte, Biegemomente oder ein Verkanten während der Montage können den Federkörper beanspruchen.
Ein erneutes elektrisches Nullstellen ist nach einem solchen Ereignis keine ausreichende Prüfung. Der Offset kann dadurch zwar aus der Anzeige verschwinden, mögliche Veränderungen von Empfindlichkeit, Linearität und struktureller Sicherheit bleiben jedoch bestehen.
Elektrische Messkette separat prüfen
Bevor eine Wägezelle ausgebaut oder ersetzt wird, sollte geprüft werden, ob die Abweichung tatsächlich vom Sensor stammt. Der komplette Signalweg kann beispielsweise aus Wägezelle → Anschlusskabel → Anschlussbox → Messverstärker → SPS / Anzeige bestehen.
Instabile Brückenspeisungen, Übergangswiderstände, Feuchtigkeit in Anschlussboxen, beschädigte Leitungen, schlechte Steckverbindungen, EMV-Einkopplungen oder Drift des Messverstärkers können ebenfalls einen wandernden Nullpunkt verursachen.
Besonders hilfreich ist der Vergleich verschiedener Signalebenen. Bleibt das Rohsignal direkt am Messverstärkereingang stabil, während der in der SPS dargestellte Wert wandert, liegt die Ursache wahrscheinlich hinter dem Sensor.
Bei passiven DMS-Wägezellen kann zusätzlich ein geeigneter mV/V-Simulator verwendet werden. Dadurch lässt sich die komplette Messverstärker- und Auswertekette unabhängig von der mechanischen Wägezelle prüfen.
Wägezelle außerhalb der Maschine prüfen
Eine der aussagekräftigsten Methoden besteht darin, den Sensor aus dem problematischen mechanischen Aufbau zu entfernen und unter definierten Bedingungen separat zu prüfen.
Dadurch werden Einflüsse wie Rahmenverspannung, Rohrkräfte, Führungsreibung, Anschläge, Maschinenbewegungen oder unzureichend flexible Prozessanschlüsse weitgehend ausgeschlossen.
Zeigt die Wägezelle im Referenzaufbau eine gute Nullpunktrückkehr, reproduzierbare Belastungswerte und eine plausible Auf- und Abwärtskennlinie, spricht dies stark dafür, dass die Ursache im ursprünglichen mechanischen Einbau liegt.
Bleibt die Abweichung dagegen auch unter kontrollierten Bedingungen bestehen, wird ein Sensorfehler, eine Überlastung oder eine veränderte Kalibrierung wahrscheinlicher.
Ein einfacher Belastungs- und Entlastungstest
Für eine systematische Bewertung sollte der Sensor zunächst thermisch stabilisiert und anschließend vollständig mechanisch entlastet werden. Der unbelastete Ausgangswert wird als Referenz dokumentiert. Danach wird die Kraft in mehreren definierten Stufen erhöht, beispielsweise von 0 → 25 → 50 → 75 → 100 %.
Am oberen Belastungspunkt wird die Kraft für eine definierte Zeit konstant gehalten. Dadurch kann beobachtet werden, ob sich das Signal trotz unveränderter Last langsam verändert. Dieser Abschnitt dient der Beurteilung des Kriechverhaltens.
Anschließend wird die Last über dieselben Zwischenpunkte wieder reduziert, beispielsweise 100 → 75 → 50 → 25 → 0 %. Der Vergleich identischer Kraftpunkte zwischen Auf- und Abwärtsreihe liefert Informationen über Hysterese beziehungsweise mechanische Reproduzierbarkeit.
Nach vollständiger Entlastung wird der Nullpunkt unmittelbar aufgezeichnet und anschließend nach definierten Wartezeiten erneut dokumentiert, beispielsweise nach 1, 5, 15 und 30 Minuten. So lässt sich unterscheiden, ob eine Kriecherholung stattfindet oder ein weitgehend konstanter Restoffset bestehen bleibt.
Der komplette Zyklus sollte anschließend wiederholt werden. Erst durch Wiederholungsmessungen wird sichtbar, ob das Verhalten reproduzierbar ist oder sich der Nullpunkt nach jedem Zyklus in eine andere Richtung verändert.
Den Zeitverlauf des Signals richtig interpretieren
| Beobachtung | Wahrscheinliche Richtung der Fehlersuche | Sinnvolle nächste Prüfung |
|---|---|---|
| Signal wandert bei konstanter Last | Kriechen, Temperatur oder elektrische Stabilisierung | Last und Temperatur konstant halten |
| Signal läuft nach Entlastung langsam Richtung Null | Kriecherholung | Wartezeiten und Restwert dokumentieren |
| Auf- und Abwärtswerte unterscheiden sich | Hysterese, Reibung oder Verspannung | Mechanik und Krafteinleitung untersuchen |
| Nullpunkt verändert sich beim Bewegen des Kabels | mechanische Kabelkraft | Kabelführung optimieren |
| Nullpunkt springt beim Lösen einer Schraube | mechanische Verspannung | Auflage und Montage kontrollieren |
| Nullpunkt wandert ohne Belastungswechsel mit Temperatur | thermischer Einfluss | Sensor- und Umgebungstemperatur aufzeichnen |
| Großer dauerhafter Versatz direkt nach außergewöhnlicher Last | mögliche Überlast oder plastische Verformung | Sensor separat prüfen beziehungsweise kalibrieren |
| Sensor außerhalb der Maschine einwandfrei | Fehler im mechanischen Einbau | Krafteinleitung, Reibung und Kraftnebenschlüsse prüfen |
Diese Zuordnung ersetzt keine vollständige Diagnose. Sie hilft jedoch erheblich dabei, die nächsten Prüfschritte gezielt auszuwählen und unnötigen Sensortausch zu vermeiden.
Praxisbeispiel: Kraftsensor bleibt nach 20 kN Belastung bei +120 N stehen
In einem Montageprüfstand wird eine Druckkraft mit einem Kraftaufnehmer gemessen. Der Messbereich beträgt 0...25 kN. Nach einem Belastungszyklus bis 20 kN zeigt das System nach vollständiger Entlastung noch +120 N.
Zunächst wird der Zeitverlauf beobachtet. Der Wert bleibt über zehn Minuten weitgehend konstant. Eine reine Kriecherholung ist damit als alleinige Ursache weniger wahrscheinlich.
Anschließend wird das Anschlusskabel vorsichtig bewegt. Der angezeigte Nullpunkt verändert sich dabei lediglich um wenige Newton. Die mechanische Rückwirkung der Leitung kann deshalb nicht den gesamten Offset erklären.
Im nächsten Schritt wird die obere Druckplatte des Prüfstandes leicht gelöst. Dabei springt der Nullpunkt von ungefähr +118 N auf nur noch +14 N. Dieser deutliche Unterschied spricht stark für mechanische Verspannung.
Bei der weiteren Prüfung zeigt sich, dass die obere Aufnahme nicht vollständig parallel zur Auflagefläche des Kraftaufnehmers montiert ist. Beim Anziehen der Schrauben wird dadurch ein zusätzliches Biegemoment in den Sensor eingeleitet.
Die Auflage wird korrigiert und eine für den Sensor geeignete Krafteinleitung verwendet. Anschließend wird derselbe Belastungszyklus wiederholt. Nach der Entlastung verbleibt nur noch ein kleiner Restoffset, der sich während der anschließenden Stabilisierungszeit weiter reduziert.
Der Kraftaufnehmer selbst war damit nicht die Hauptursache. Das Beispiel zeigt, weshalb eine schlechte Nullpunktrückkehr immer zusammen mit der kompletten mechanischen Krafteinleitung bewertet werden sollte.
Wann eine Kalibrierung sinnvoll ist
Eine Kalibrierung beziehungsweise Referenzprüfung ist besonders sinnvoll, wenn ein Nullpunktversatz auch im kontrollierten Prüfaufbau bestehen bleibt, eine Überlastung vermutet wird oder die Auf- und Abwärtskennlinie auffällig ist.
Auch eine veränderte Empfindlichkeit oder schlechte Wiederholbarkeit können eine erneute metrologische Prüfung erforderlich machen. Zusätzlich können selbstverständlich festgelegte Kalibrierintervalle unabhängig vom aktuellen Fehlerbild gelten.
Eine vollständige Kraftkalibrierung kann unter anderem Nullpunktabweichung, Empfindlichkeit, Linearität, Hysterese und Wiederholbarkeit beurteilen. Sie beantwortet damit die Frage, ob der Sensor unter definierten Bedingungen noch innerhalb der geforderten Toleranzen arbeitet.
Sie ersetzt jedoch nicht die mechanische Diagnose des eingebauten Systems. Ein Kraftaufnehmer kann im Kalibrierlabor einwandfrei funktionieren und nach dem Wiedereinbau erneut Fehler zeigen, wenn die Krafteinleitung ungeeignet ist.
Systematische Fehlersuche
- Wägezelle und Messelektronik ausreichend thermisch stabilisieren.
- Sicherstellen, dass tatsächlich keine Kraft auf der Messachse anliegt.
- Unbelasteten Nullpunkt vor jedem Test dokumentieren, ohne ihn vorschnell neu zu tarieren.
- Signal bei konstanter Last über eine definierte Zeit beobachten.
- Belastung über mehrere reproduzierbare Zwischenpunkte aufbauen.
- Last über dieselben Zwischenpunkte wieder reduzieren.
- Auf- und Abwärtswerte bei identischen Kraftpunkten vergleichen.
- Nullpunkt unmittelbar nach vollständiger Entlastung dokumentieren.
- Nullpunkt nach definierten Wartezeiten weiter aufzeichnen.
- Kabel, Schläuche und andere flexible Verbindungen auf mechanische Rückwirkung prüfen.
- Auflageflächen, Schraubverbindungen und Krafteinleitung kontrollieren.
- Querkräfte, Biegemomente und außermittige Belastung ausschließen.
- Führungen, Anschläge und Rahmenbereiche auf Reibung beziehungsweise Kontakt untersuchen.
- Bei Behälterwaagen Rohrleitungen und Schläuche als mögliche Kraftnebenschlüsse prüfen.
- Temperaturtrend mit der Entwicklung des Nullpunktes vergleichen.
- Brückenspeisung, Messverstärker und SPS-Eingang elektrisch überprüfen.
- Bei Bedarf die Auswerteelektronik mit einem geeigneten mV/V-Simulator testen.
- Wägezelle möglichst außerhalb der Maschine unter definierten Bedingungen prüfen.
- Nach einem möglichen Überlastereignis nicht nur neu nullen, sondern die komplette Kennlinie prüfen.
- Ergebnisse und Zeitverläufe für spätere Vergleichsmessungen dokumentieren.
Häufige Diagnosefehler
- Jeden Restwert nach Entlastung als Kriechen bezeichnen: Creep wird bei weiterhin konstanter Belastung bewertet.
- Kriecherholung mit Hysterese verwechseln: Hysterese zeigt sich erst beim Vergleich auf- und absteigender Lastreihen.
- Nur die Wägezelle verdächtigen: Mechanische Verspannung und Reibung sind sehr häufige Ursachen.
- Vor jeder Prüfung neu tarieren: Dadurch wird der eigentliche Nullpunkttrend verborgen.
- Nur 0 und 100 % prüfen: Zwischenpunkte liefern wesentlich mehr Informationen über Hysterese und Kennlinienverhalten.
- Keine Wartezeiten dokumentieren: Ohne Zeitachse lassen sich Kriechen und Kriecherholung kaum sinnvoll beurteilen.
- Kabelkräfte unterschätzen: Bei kleinen Messbereichen kann bereits ein steifes Anschlusskabel einen sichtbaren Einfluss besitzen.
- Schläuche und Rohrleitungen ignorieren: Sie können bei Behälterwaagen erhebliche Kraftnebenschlüsse erzeugen.
- Wägezelle schief oder verspannt montieren: Querkräfte und Momente beeinträchtigen Nullpunktrückkehr und Wiederholbarkeit.
- Nach einem Offset lediglich elektrisch neu nullen: Eine mechanische Ursache bleibt dadurch bestehen.
- Überlast nur als zu hohe axiale Kraft verstehen: Auch Stoß, Querkräfte und Biegemomente können einen Sensor schädigen.
- Temperatur nicht berücksichtigen: Nullpunkt und Ausgangssignal können während der thermischen Stabilisierung wandern.
- Sensor niemals separat prüfen: Dadurch bleibt unklar, ob die Abweichung vom Sensor oder vom mechanischen Aufbau stammt.
Passender Kraftaufnehmer
Für Kraftmessungen in Prüfständen, Materialprüfmaschinen und industriellen Prüfvorrichtungen bietet sich beispielsweise der WIKA Typ F2222 Zug-/Druckkraftaufnehmer an.
| Merkmal | Bedeutung für die Anwendung |
|---|---|
| Zug- und Druckkraftmessung | für unterschiedliche Prüf- und Maschinenaufgaben einsetzbar |
| Breites Messbereichsspektrum | Ausführungen von kleinen Kräften bis in den MN-Bereich |
| Niedrige Einbauhöhe | geeignet für kompakte mechanische Konstruktionen |
| Hohe Langzeitstabilität | für wiederkehrende industrielle Messaufgaben |
| Statische und dynamische Messungen | für Prüfstände und Maschinenanwendungen geeignet |
| Schutzart IP66 | für industrielle Umgebungsbedingungen |
| Optionale Krafteinleitungsteile | unterstützen eine geeignete mechanische Anbindung |
| Optionaler Messverstärker | vereinfachte Einbindung in nachgelagerte Auswertungen |
Für eine zuverlässige Messung muss die Kraft zentrisch und möglichst frei von Querkräften und unerwünschten Momenten eingeleitet werden. Eine ebene Auflagefläche und reproduzierbare mechanische Montage sind deshalb ebenso wichtig wie die elektrischen Eigenschaften des Sensors.
Gerade die in diesem Beitrag beschriebenen Fehler zeigen, dass auch ein sehr genauer Kraftaufnehmer seine spezifizierte Messperformance nur dann erreichen kann, wenn der mechanische Kraftfluss reproduzierbar gestaltet ist.
Weitere Wägezellen, Zug-/Druckkraftaufnehmer, Scherstäbe und Wägeelektroniken finden Sie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.
Weitere Hinweise zur mechanischen Installation finden Sie im Beitrag Wägezelle richtig einbauen: Krafteinleitung, Auflager und Kraftnebenschlüsse vermeiden.
Für die elektrische Installation ist außerdem der Beitrag Wägezellenkabel verlängern: 4- und 6-Leitertechnik, Sense-Leitungen und Spannungsabfall richtig berücksichtigen hilfreich.
Fazit
Wenn eine Wägezelle nach vollständiger Entlastung nicht exakt auf ihren vorherigen Nullwert zurückkehrt, ist das noch keine eindeutige Aussage über einen Sensordefekt. Unterschiedliche physikalische und mechanische Effekte können ein sehr ähnliches Fehlerbild erzeugen.
Kriechen beschreibt die zeitabhängige Veränderung des Ausgangssignals bei weiterhin konstanter Belastung. Nach der Entlastung kann dagegen eine Kriecherholung auftreten, bei der sich der Messwert langsam wieder in Richtung des ursprünglichen Nullpunktes bewegt.
Hysterese ist wiederum ein anderer Effekt. Sie zeigt sich darin, dass derselbe Kraftwert bei steigender und fallender Belastung unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt. Für ihre Bewertung sind deshalb vollständige Belastungs- und Entlastungsreihen erforderlich.
Im eingebauten Zustand kommen weitere Einflüsse hinzu. Mechanische Verspannung, Querkräfte, Reibung, Kraftnebenschlüsse, Kabel, Schläuche und die Verformung des Maschinenrahmens können dafür sorgen, dass nach einer Belastung tatsächlich noch eine kleine Kraft auf dem Sensor verbleibt.
Auch Temperatur und Elektronik müssen getrennt betrachtet werden. Ein langsam mit der Umgebungstemperatur wandernder Nullpunkt benötigt eine andere Fehlersuche als ein plötzlich auftretender Offset unmittelbar nach einem Überlastereignis.
Besonders kritisch ist eine dauerhafte große Nullpunktverschiebung nach einer außergewöhnlichen mechanischen Belastung. Ein erneuter Nullabgleich darf dann nicht mit einer erfolgreichen Reparatur verwechselt werden. Empfindlichkeit, Linearität, Hysterese und Wiederholbarkeit müssen ebenfalls geprüft werden.
Die zuverlässigste Diagnose entsteht deshalb aus einem kontrollierten Belastungszyklus mit dokumentierter Zeitachse und einem anschließenden Vergleich zwischen eingebautem Zustand und definiertem Referenzaufbau.
Die entscheidende Frage lautet nicht nur: „Zeigt die Wägezelle nach der Entlastung wieder null?“, sondern: „Wann entsteht die Abweichung, wie entwickelt sie sich über die Zeit und verschwindet sie, sobald Krafteinleitung, Reibung, Kabel, Temperatur und elektrische Messkette als Einflussgrößen ausgeschlossen werden?“
FAQ: Wägezelle kehrt nicht auf Null zurück
Warum zeigt meine Wägezelle nach der Entlastung noch einen Wert an?
Mögliche Ursachen sind Kriecherholung, Hysterese, mechanische Verspannung, Reibung, Kabelkräfte, Temperaturänderungen, elektrische Drift oder eine vorausgegangene Überlastung. Besonders wichtig ist, wie sich der Restwert über die Zeit entwickelt und ob er auch unter definierten mechanischen Bedingungen bestehen bleibt.
Ist ein Restwert nach der Entlastung automatisch Kriechen?
Nein. Kriechen beschreibt die zeitabhängige Signaländerung bei weiterhin konstant anliegender Last. Die zeitabhängige Veränderung nach dem Entfernen der Belastung wird als Kriecherholung beziehungsweise Creep Recovery bezeichnet.
Was ist Hysterese bei einer Wägezelle?
Hysterese beschreibt die Differenz des Ausgangssignals bei derselben Kraft, wenn der Lastpunkt einmal während steigender und einmal während fallender Belastung erreicht wird. Deshalb sind für die Prüfung mindestens eine Aufwärts- und eine Abwärtsreihe erforderlich.
Wie erkenne ich eine mechanische Verspannung?
Ein typischer Hinweis ist eine deutliche Veränderung des Nullpunktes beim Lösen von Montageschrauben, Bewegen der Krafteinleitung oder nach dem Ausbau des Sensors. Auch schlechte Wiederholbarkeit kann auf Reibung oder Verspannung hinweisen.
Kann das Anschlusskabel den Messwert beeinflussen?
Ja. Besonders bei kleinen Messbereichen kann ein unter Zug stehendes oder steif geführtes Kabel eine zusätzliche mechanische Kraft auf den Sensor ausüben. Verändert sich der Nullwert beim Bewegen des Kabels, sollte dessen Führung optimiert werden.
Kann ein Behälteranschluss den Nullpunkt beeinflussen?
Ja. Rohrleitungen, Schläuche, Kabel und andere Verbindungen zwischen gewogenem und feststehendem Anlagenteil wirken als zusätzliche Kraftpfade. Verändern sich diese Kräfte während Befüllen oder Entleeren, können Nullpunkt- und Wiederholfehler entstehen.
Wie unterscheide ich Kriechen von Temperaturdrift?
Kriechen wird bei konstanter Last und möglichst stabiler Temperatur beurteilt. Verändert sich der Nullpunkt dagegen parallel zur Sensor- oder Umgebungstemperatur auch ohne Belastungswechsel, ist ein thermischer Einfluss wahrscheinlicher.
Was deutet auf eine Überlastung hin?
Ein plötzlich deutlich veränderter und dauerhaft bestehender Nullpunkt nach einem außergewöhnlichen Belastungsereignis kann ein Hinweis sein. Zusätzlich können sich Empfindlichkeit, Linearität, Hysterese oder Wiederholbarkeit verschlechtern.
Kann ich eine überlastete Wägezelle einfach neu nullen?
Ein neuer Nullabgleich entfernt lediglich den angezeigten Offset. Eine mögliche plastische Verformung des Federkörpers wird dadurch nicht rückgängig gemacht. Nach einer vermuteten Überlastung sollte deshalb die komplette Messcharakteristik geprüft werden.
Wie prüfe ich die Nullpunktrückkehr richtig?
Zunächst wird der thermisch stabilisierte unbelastete Nullwert dokumentiert. Danach wird die Wägezelle definiert belastet und wieder vollständig entlastet. Der Nullpunkt wird unmittelbar nach der Entlastung und nach festgelegten Wartezeiten erneut aufgezeichnet.
Warum sollte ich auf- und absteigende Lastpunkte messen?
Nur dadurch lässt sich erkennen, ob derselbe Kraftwert abhängig von der Belastungsrichtung unterschiedlich angezeigt wird. Diese Differenz ist wesentlich für die Beurteilung von Hysterese beziehungsweise mechanischer Reproduzierbarkeit.
Wann sollte die Wägezelle separat geprüft werden?
Wenn die Ursache im eingebauten Zustand nicht eindeutig gefunden werden kann oder wenn ein Sensorfehler beziehungsweise eine Überlastung vermutet wird. Ein definierter Prüfaufbau trennt die Wägezelle von Einflüssen wie Rahmenverspannung, Reibung, Rohrkräften und Anschlägen.
Wann ist eine Kalibrierung sinnvoll?
Eine Kalibrierung ist insbesondere bei dauerhaft verändertem Nullpunkt, auffälliger Empfindlichkeit oder Hysterese sowie nach einer vermuteten Überlastung sinnvoll. Sie sollte die mechanische Untersuchung der Einbausituation ergänzen und nicht ersetzen.