Was ist eine Kraftmesszelle?
Eine Kraftmesszelle (englisch: load cell) ist ein Kraftaufnehmer, ein Sensor, der eine Last oder Kraft erfasst, sie in ein elektrisches Signal umwandelt und ausgibt. Das der Last oder Kraft entsprechende Ausgangssignal wird zur Anzeige oder Aufzeichnung der Last verwendet und kann auch zur Steuerung eingesetzt werden.
Neben dem Dehnungsmessstreifen, der die Verformungsdehnung eines Objekts misst, gibt es weitere Methoden zur Erfassung von Lasten oder Kräften, z. B. piezoelektrische, Dünnmetallfilm-, kapazitive, faseroptische, Vibrations- und magnetostriktive Methoden.
Der Ausgang von Kraftmesszellen ist ein analoges oder digitales Spannungs- oder Stromsignal, das der Belastung entspricht. Sie werden zur Anzeige und Aufzeichnung von Lasten auf Waagen, zur Messung der Belastbarkeit, zur Messung von Lasten in Materialprüfmaschinen und zur Steuerung von Anlagen eingesetzt.
Anwendungen von Kraftmesszellen
Kraftmesszellen werden in elektronischen Waagen, Prüfmaschinen, Durchflussmessern, Industriewaagen und verschiedenen Messgeräten eingesetzt. Beispiele für Haushaltsprodukte sind Waagen, Digitalwaagen und Dusch-WC-Sitze.
In der Industrie werden sie neben Waagen häufig in Zugprüfmaschinen, Geräten zur Messung der Viskoelastizität, Pressen sowie Garn- und Folienwickelgeräten eingesetzt. Sie werden auch zur Prüfung des Antriebs von Düsentriebwerken, zur Überwachung der Spannung von Schiffstauen, zur Messung des Motordrehmoments, zur Überwachung von Achslasten, zur Messung der Drahtspannung in Aufzügen und zum Wiegen von Trichtern und Silos verwendet.
Darüber hinaus werden Kraftmesszellen auch an den Steuerstangen einiger Flugzeuge eingesetzt. Wenn der Pilot eine Kraft auf den Steuerknüppel ausübt, erkennt der Computer die Größe der Last und steuert das Flugzeug.
In der Industrie sind Wägezellen unverzichtbar, um das Gewicht von Produktionsgütern zu messen, um die Qualität zu verbessern, die Produktivität zu steigern und die Kosten zu senken, und um die Daten zu digitalisieren, damit sie auf Monitoren angezeigt werden können, um gute oder schlechte Entscheidungen zu treffen, um die Daten zu drucken und zu speichern.
Funktionsweise der Kraftmesszellen
Es gibt vier Haupttypen von Kraftmesszellen, abhängig von der Form des Elements, das sich unter Last verformt: Balken-, Säulen-, S-förmige und Membran-Kraftmesszellen.
1. Balken-Typ
Der Balkentyp misst den Betrag der Balkenverformung, der auftritt, wenn eine Last auf das Ende eines freitragenden Balkens aufgebracht wird. Er wird für Plattformwaagen verwendet.
2. Säulentyp
Der Säulentyp misst die Verformungsdehnung in Druckrichtung einer zylindrischen Fläche unter Last auf einem zylindrischen Element. Er wird für industrielle Anwendungen wie Tanks und Trichter verwendet. Häufig werden mehrere Kraftmesszellen verwendet, wobei die Last auf jede Zelle gleichmäßig aufgebracht werden muss.
3. S-förmiger Typ
Beim S-förmigen Typ wird eine Last auf beide Enden eines S-förmigen Elements aufgebracht, und die Verformung des S-förmigen Elements wird gemessen und in eine Last umgewandelt. Er wird häufig in Zugprüfmaschinen zur Messung von Zugkräften verwendet.
4. Diaphragma-Typ
Beim Diaphragma-Typ wird eine Kraft auf die Mitte des Diaphragmas aufgebracht und die Verformung des Diaphragmas gemessen. Er wird im Allgemeinen für Kraftmessdosen verwendet.
Durch Änderung der Größe und des Materials des verwendeten Zellenteils kann die Skala der zu messenden Last erhöht oder verringert werden. Auf diese Weise lassen sich Lasten in einem weiten Bereich messen, von wenigen Gramm bis zu großen Kräften im Tonnenbereich. Für die Messung kleinster Kräfte wurden hochpräzise Kraftmesszellen entwickelt, die in der Größenordnung von mN messen können und z. B. in der Forschung und Entwicklung künstlicher Muskeln eingesetzt werden.
Zu den Methoden zur Erfassung der Verformung von Bauteilen, die sich unter Last verformen, gehören Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische, Dünnschicht-, Kapazitäts-, Faseroptik-, Vibrations- und magnetostriktive Verfahren.
Ein Dehnungsmessstreifen ist an einem elastischen Körper, dem so genannten Dehnungsgenerator, befestigt, der sich durch eine winzige Verformung ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch sich seine Querschnittsfläche und der Widerstand des Messstreifens ändern. Diese Änderung ist proportional zur Last, so dass die auf den Dehnungsmessstreifen ausgeübte Last aus der Änderung des Widerstands berechnet wird.
Weitere Informationen zu Kraftmesszellen
1. Einheiten von Kraftmesszellen
Kraftmesszellen zeigen den Messwert in der SI-Einheit ‚Kraft‘, ‚N‘ Newton, an. Je nach Kapazität der Kraftmesszelle kann auch mN oder kN verwendet werden.
Das ‚N‘ Newton ist der Wert, den man durch Multiplikation der Masse mit der Erdbeschleunigung erhält. Wenn die Erdbeschleunigung am Messort bekannt ist, kann die Masse (kg) mit einer Kraftmesszelle gemessen werden.
2. Genauigkeit der Kraftmesszelle
Es ist gängige Praxis, den Punkt “Genauigkeit” nicht in die Spezifikationen von Kraftmesszellen aufzunehmen. Die Genauigkeit einer Kraftmesszelle allein wird umfassend aus der Linearität, der Hysterese, der Wiederholbarkeit und den in den Spezifikationen beschriebenen Temperatureffekten beurteilt.
Wenn eine Kraftmesszelle mit einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt wird, gibt sie eine Spannung ab, die proportional zur Last ist, aber diese Spannung ist winzig, höchstens 20 mV. Diese kleine Spannung wird weiter in Millionstel geteilt und gemessen, so dass die verwendete Messausrüstung sehr stabil und genau sein muss.
Die Genauigkeit von Messgeräten auf der Grundlage von Kraftmesszellen muss umfassend beurteilt werden, einschließlich der Fehler, die durch einzelne Kraftmesszellen und Anzeigegeräte, Temperaturbedingungen, Einbaubedingungen und Vibrationen verursacht werden. Zu diesem Zweck werden die Genauigkeit der Kraftmesszellen, die den Messwertgeber darstellen, und die Genauigkeit des Anzeigegeräts bestimmt, und die Gesamtgenauigkeit wird durch die Quadratwurzel aus der Summe ihrer Quadrate berechnet.