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Dieter Michael Krone: Kraftmesslager-Einführung |
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Diese kleine Einführung soll ihnen einmal einen Überblick zum Thema Messen mit Kraftmeßlager geben. Ich will versuchen die meist gestellten Fragen, wenn auch nicht umfassend (da müßte ich wohl doch ein Buch schreiben), zu beantworten. Natürlich kann auch der Fragekatalog nicht vollständig sein. Wenn sie also etwas vermissen sollten, sagen sie Bescheid.
Was ist ein Kraftmeßlager?
Ein Kraftmeßlager ist ein Sensor, welcher die Reaktionskräfte einer Lagerstelle erfaßt, und diese als elektrisches Signal zur Verfügung stellt. Es ähnelt in seiner Äußeren Form klassischen Lagerungen (z.B. Flansch- oder Stehlagern) und wird genau wie diese eingesetzt. Achtung! Ähnlich bedeutet nicht kompatibel. Der Einsatz von Kraftmeßlager ist mit konstruktivem Aufwand verbunden. Ein einfacher Austausch von Normlagern gegen Kraftmeßlager ist (noch?) nicht möglich. Es sei denn, sie verwenden eines der von mir entworfenen Kraftmeßlager.
Wie funktioniert ein Kraftmeßlager?
Zur Erfassung der Lagerreaktionskraft ist der Lagerkörper (meist ein Gleit- oder Wälzlager) direkt oder über einen Halter (das kann z.B. ein Standartlagergehäuse sein) fest mit dem eigentlichen Sensorelement verbunden. Dieses wandelt die vom Lagerkörper eingeleitete Kraft in eine minimale Verformung um, welche wiederum von Meßgliedern (meist Dehnmeßstreifen oder DMS) in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Andere Meßglieder auf Basis der Ausnutzung des Piezoelektrischen Effektes, der Veränderung von Feldstärken in Spulen oder in Form veränderlicher Kondensatoren sind dagegen selten. Die meisten Meßlager können nur eine radiale Komponente der Reaktionskraft erfassen. Für 99% der Anwendungen ist das ausrechnet. Es wurden aber auch Meßlager entwickelt, die mehrere Komponenten erfassen können. Bei wenigen Spezialisten können drei senkrecht aufeinander stehende Kräfte, sowie zusätzlich drei senkrecht auf einander stehende Momente gemessen werden. Jeder zusätzliche Meßkanal macht das Meßlager jedoch unhandlicher, störanfälliger und wesentlich teurer. Mehr zum Aufbau von Meßlagern und speziell zur Ausbildung Vervormungselemente können sie am besten in ihrem Patentamt in Erfahrung bringen. Hier nur eine kleine Auswahl von deutschen Schriften: DE2117477; DE2452925; DE2521699; DE2716024; DE2718925; DE2729699; DE2733569; DE2743813; DE2851048; DE2930520; DE3009454; DE3336727; DE3603187; DE3822486; DE4108555; DE4127683; DE4312843; DE4313862; DE19511110 (Scherz!).
Kann man das Signal vom Kraftmeßlager direkt auswerten?
Nein! Das Meßsignal liegt ,abhänig von den Meßgliedern, in unterschiedlicher Form vor. Zum Betreiben von Kraftmeßlagern benötigt man, wie bei den meisten Sensoren, Meßverstärker. Die Aufgabe der Meßverstärker ist es dem Sensor die benötigte Hilfsenergie zur Verfügung zu stellen und das Sensorsignal in ein Normsignal umzusetzen. Unter Normsignale wollen wir hier sowohl die klassischen 0..20mA, 4..20mA -10..+10V, 0..10V aber auch Busankopplungen verstehen (CAN-, Inter- oder Profibus). Die Größte Auswahl gibt es auch hier für DMS-Sensoren.
Mittlerweile sind die Verstärker recht klein geworden. Einige Hersteller sind daher dazu übergegangen diese in den Sensoren zu integrieren. Dadurch wird die Kalibrierung jedoch nicht unbedingt vereinfacht (vergleiche: Was versteht man unter Kalibrierung der Meßkette?). Letztlich ist ein solches Verfahren nur mit eine Busschittstelle sinnvoll. Dann kann der integrierte Verstärker jedoch eine echte Verbesserung sein, natürlich nur wenn die Busanschlüsse in einem sinnvollem Verhältnis zur Sensorgröße stehen. Sonst schraubt man den Busverstärker doch lieber an eine Stelle, wo mehr Platz ist, die tollen LED bestens zur Geltung kommen und wo vielleicht auch weniger passieren kann.
Ein anderer Weg ist es den Verstärker zusammen mit einem Regler in ein Gehäuse zu setzen. Das empfiehlt sich vor allem, wenn man das Signal nicht zentral (z.B. in der SPS oder im Industrie-PC) auswerten will. Eine gut Lösung für Umbauten, Nachrüstungen und vor allem dann, wenn eine kurze Reaktionszeiten wichtig sind.
Was versteht man unter Kalibrierung der Meßkette?
Wenn ich mal wieder etwas Zeit habe, mache ich hier weiter.
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