Kraftmessung im Kraftfluss und im Kraftnebenschluss – Messprinzipien im Vergleich

Die zuverlässige Erfassung von Prozesskräften ist eine zentrale Voraussetzung für präzise Regelungen, hohe Prozesssicherheit und reproduzierbare Qualität in industriellen Prozessabläufen. Je nach Anwendung und Randbedingungen kommen direkte Kraftmessungen im Kraftfluss (in‑situ) oder indirekte Messungen ausserhalb des Kraftflusses (Kraftnebenschluss) zum Einsatz. Beide Methoden haben im industriellen Umfeld ein breite Anwendungsspektrum gefunden.

Technischer Hintergrund

Das Prinzip der In-Situ Messung im Kraftfluss

Meistens werden Prozesskräfte dadurch gemessen, indem ein geeigneter Kraftsensor in den eigentlichen Kraftfluss eingefügt wird. Das heisst, dass der Kraftsensor mit der gesamten Kraft beaufschlagt wird und diese direkt messen kann. Mit gut ausgelegten industriellen Kraftsensoren werden so in der Regel Genauigkeiten im 0.5%-Bereich und Auflösungen von 1:2’000 erreicht, bei gleichzeitig hoher Dynamik.

Das Prinzip der indirekten Messung im Kraftnebenschluss

Etwas anders gestaltet sich die Messung von Kräften im Kraftnebenschluss, auch indirekte Messung genannt. Bei dieser Methode wird am Maschinenbauteil ein Ort gesucht, der einen möglichst repräsentativen Teil der Prozesskraft überträgt. An diesem Ort entsteht zwangsläufig eine Verformung, die mit einem Dehnungssensor gemessen werden kann. Dieser Dehnungssensor wird in der Regel mit Schraubverbindungen an der Oberfläche des Bauteils angebracht. Diese Art der Kraftmessung erlaubt es, grosse und grösste Kräfte mit kostengünstigen, einfach anzubringen Sensoren zu messen.

Während also die Prozesskraft beim Kraftsensor auf einen für die Art der Aufgabe optimierten Federkörper geleitet wird, wird bei der indirekten Kraftmessung ein Maschinenbauteil als Federkörper benutzt. Selbstredend wird der optimierte Federkörper des Kraftsensors messtechnisch grosse Vorteile bieten, während bei der indirekten Kraftmessung der Sensor lediglich noch die Verformung (i.d.R. Dehnung) zu messen hat. Diese Dehnungsmessung ist weniger aufwendig, weshalb die indirekte Kraftmessung zu wirtschaftlich sehr attraktiven Lösungen führt.

Sensor- und Konstruktionsauslegung, Technologien

Der Federkörper, auch Sensorgrundkörper genannt, wird so ausgelegt, dass er nahezu trägheitslos der angelegten Kraft/Dehnung folgen kann. Dies wird erreicht, indem der Sensorgrundkörper eine geringe Stellkraft aufweist und so „federnd“ der Dehnung folgen kann. Weiter soll die resultierende Dehnung am Federkörper an einer oder mehreren wohlbekannten Stellen konzentriert sein. An diesen Stellen kann dann die Dehnung mit Folien-Dehnungsmessstreifen oder Dünnschicht-Dehnungssensoren zuverlässig gemessen werden. Diese Grundsätze kommen bei beiden Technologien zur Anwendung und garantieren eine hohe Sensitivität und Auflösung.