Lastenmessung mit brückenbasierten Sensoren

Was sind Kraft und Last?

Kraft ist das Maß für die Interaktion zwischen Körpern: Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Kraft wird auch als Druck oder Zug auf einen Gegenstand bezeichnet. Es handelt sich um eine Vektorgröße mit Betrag und Richtung.

Last ist ein Begriff, der häufig verwendet wird, um die auf eine Struktur oder einen Körper ausgeübte Kraft auszudrücken. Die SI-Einheit für Kraft oder Last ist Newton (N). Kraftmessdosen messen Kraft oder Gewicht direkt. Diese Sensoren wandeln mechanische Kräfte in elektrische Signale um, indem sie Verformungen messen, die durch die Kraft oder das Gewicht erzeugt werden. Eine gängige Anwendung dieser Geräte ist die Messung von trockenen oder flüssigen Materialien in einem Trichter. Das mit einer Kraftmessdose gemessene Gewicht ist ein Maß für die Materialmenge im Trichter.

Lasten messen

Die Last wird mit einer Kraftmessdose gemessen. Die verschiedenen Arten von Kraftmessdose funktionieren auf unterschiedliche Weise, aber die am häufigsten verwendete Kraftmessdose ist der Dehnungsmessstreifen. Im Allgemeinen verwenden Sie eine Balken- oder Jochbaugruppe mit mehreren Dehnungsmessstreifen, die als Wheatstonesche Messbrücke montiert sind, sodass die Krafteinwirkung in der Baugruppe, die mit den Dehnungsmessstreifen gemessen wird, eine Dehnung verursacht. Im Allgemeinen sind diese Geräte so kalibriert, dass die Kraft in direktem Zusammenhang mit der Widerstandsänderung steht. Weniger verbreitete pneumatische und hydraulische Wägezellen wandeln Kraft in Druckmessungen um. Wenn auf eine Seite des Kolbens oder der Membran Kraft ausgeübt wird, wird der Druck (pneumatisch oder hydraulisch) gemessen, der auf die andere Seite ausgeübt wird, um diese Kraft auszugleichen. Der Rest dieses Whitepapers konzentriert sich auf Kraftmessdosen in Dehnungsmessstreifen oder in Brückenschaltung.

Die kritischste mechanische Komponente eines Kraftmessdose oder Dehnungsmessstreifens ist die Struktur (Federelement). Die Struktur reagiert auf die aufgebrachte Last und bündelt diese Last in einem isolierten, gleichmäßigen Dehnungsfeld, in dem Dehnungsmessstreifen zur Lastmessung platziert werden können. Die drei gängigen Kraftmessdosen – Mehrfach gebogene Träger, mehrere Spalten und Scherstäbe – bilden die Grundbausteine für alle möglichen Kraftmessdosenprofile und/oder -konfigurationen.

Abb. 2: Bei Konstruktionen von Kraftmessdosen können Dehnungsmessstreifen zur Messung von Druck und Zug auf unterschiedliche Weise montiert werden. [1].

Kraftmessdosen mit mehrfach gebogenen Trägern haben eine geringe Kapazität (20 N bis 22 kN) und verfügen über ein radförmiges Federelement, das an flache Aufnehmer angepasst werden kann. Sie enthalten vier aktive Dehnungsmessstreifen oder Dehnungsmessstreifen-Sets pro Brückenarm, wobei die Paare gleichen und entgegengesetzten Dehnungen (Zug und Druck) ausgesetzt sind.

Kraftmessdosen mit mehreren Säulen bestehen aus mehreren Säulen für eine höhere Kapazität (110 kN bis 9 MN). Bei dieser Anordnung enthält jeder Brückenzweig vier aktive Dehnungsmessstreifen, von denen zwei entlang der Hauptdehnungsachse und die anderen beiden in Querrichtung ausgerichtet sind, um den Poisson-Effekt zu kompensieren.

Scherstab-Wägezellenhaben eine mittlere Kapazität (2K bis 1M N) und verwenden eine Radform mit radialen Stegen, die direkter Scherung ausgesetzt sind. Die vier aktiven Dehnungsmessstreifen pro Brückenzweig sind an den Seiten des Stegs im 45-Grad-Winkel zur Trägerachse angebracht.

Auswählen der richtigen Kraftmessdose

Kraftmessdosen arbeiten in zwei grundlegenden Modi: dem Druckmodus, bei dem das Wägegefäß auf einer oder mehreren Kraftmessdosen sitzt, oder dem Zugmodus, bei dem das Wägegefäß an einer oder mehreren Kraftmessdosen hängt. Sie können die verschiedenen Konfigurationen der Kraftmessdose, die im vorigen Abschnitt behandelt wurden, mit einer beliebigen dieser Konfigurationen für reine Druckkräfte oder für die Messung von Zug- und Druckkräften auslegen.

Über die Hauptmessung hinaus wird eine Kraftmessdose hauptsächlich aufgrund von Kapazität, Genauigkeit, physikalischen Montagebedingungen oder des Schutzes vor der Umgebung ausgewählt. Die erwartete Leistung kann nicht nach einem bestimmten Faktor bestimmt werden. Sie muss durch eine Kombination verschiedener Sensorparameter und die Art und Weise, wie Sie die Kraftmessdose in Ihr System integriert haben, bestimmt werden. In der Tabelle können Sie Reichweite, Genauigkeit, Empfindlichkeit und Preis der verschiedenen Kraftmessdosen vergleichen.

Kapazität — Definieren Sie Ihre minimalen und maximalen Kapazitätsanforderungen. Stellen Sie sicher, dass die Kapazität über der maximalen Betriebslast liegt und alle äußeren Lasten und Momente bestimmt werden, bevor Sie eine Kraftmessdose auswählen. Die Tragfähigkeit muss für Folgendes ausgelegt sein:

• Gewicht der Wägestruktur (Totlast)
• Maximal aufzubringende Nutzlast (einschließlich statischer Überlastung) 
• Zusätzliche Überlastung durch externe Faktoren wie Windlast oder seismische Aktivität

Messfrequenz — Kraftmessdosen sind für den universellen Einsatz ausgelegt oder auf Ermüdung ausgelegt, um Millionen von Lastwechseln ohne Auswirkungen auf die Leistung standzuhalten. Allzweck-Kraftmessdosen sind für Anwendungen mit statischen Lasten oder Lastanwendungen mit niedrigen Zyklen ausgelegt. Sie überleben in der Regel bis zu 1 Million Zyklen, abhängig vom Lastpegel und dem Material des Sensors. Ermüdungsbewertete Kraftmessdosen sind in der Regel für 50 Millionen bis 100 Millionen Lastwechselzyklen ausgelegt, je nach Laststufe und Amplitude.

Physikalische Einschränkungen und Umgebungsbedingungen — Eines der wichtigsten Merkmale ist die Integration der Kraftmessdose in Ihr System. Ermitteln Sie alle physikalischen Einschränkungen, die die Größe (Breite, Höhe, Länge usw.) oder die Montage der Kraftmessdose einschränken. Die meisten Zug- und Druckkraftmessdosen haben oben und unten zentrische Buchse zur Befestigung, sie können jedoch auch Stecker oder eine Mischung aus beidem haben. Berücksichtigen Sie die Funktionsweise des Systems und die ungünstigsten Betriebsbedingungen – größter Temperaturbereich, kleinste zu messende Gewichtsänderung, schlechteste Umgebungsbedingungen (Überschwemmung, Unwetter, seismische Aktivität) und maximale Überlastung.

Signalaufbereitung für Kraftmessdosen

Kraftmessdosen können entweder aufbereitet oder nicht aufbereitet sein. Aufbereitete Sensoren können direkt an ein DAQ-Gerät angeschlossen werden, da sie die erforderlichen Komponenten für Filterung, Signalverstärkung und Erregerschaltung sowie die üblichen Schaltkreise für die Messung enthalten. 

Wenn Sie mit nicht aufbereiteten Sensoren arbeiten, müssen Sie mehrere Elemente zur Signalaufbereitung berücksichtigen, um ein effektives Kraftmesssystem in Brückenschaltung zu erstellen. Sie benötigen oft eines oder mehrere der folgenden Dinge:

• Erregung zur Speisung der Schaltkreise für eine Wheatstonesche Messbrücke—mehr dazu in der Ressource zur Dehnungsmessung
• Kontaktlose Messung über das Netzwerk (Remote Sensing) zum Ausgleich von Fehlern in der Erregerspannung aufgrund langer Anschlussdrähte
• Verstärkung zur Erhöhung der Messauflösung und Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Filterung zum Entfernen externer Hochfrequenzrauschen
• Offset-Nullabgleich, um die Brücke so auszugleichen, dass 0 V ausgegeben wird, wenn keine Dehnung angewendet wird
• Shunt-Kalibrierung, um den Ausgang der Brücke auf einen bekannten, erwarteten Wert zu überprüfen

Um zu erfahren, wie diese Fehler ausgeglichen werden und andere Hardware-Überlegungen für Lastmessungen in Brückenschaltung kennenzulernen, laden Sie den Ingenieursleitfaden zu genauen Sensormessungen herunter.

Verbinden von Kraftmessdosen mit Hardware von NI

Nachdem Sie Ihre Sensor- oder Testanforderungen kennen, ist die Entscheidung für die Hardware, mit der diese Daten erfasst werden, der nächste wichtige Schritt. Die Qualität der Erfassungshardware bestimmt die Qualität der erfassten Daten.

NI bietet verschiedene Hardware für die Dehnungs- und Kraftmessung an, die für die Erfassung von Lastdaten ausgelegt und mit einer Vielzahl von Lastsensoren in Brückenschaltung kompatibel ist.