"Genauigkeit ist die Höflichkeit der Könige!" Heutzutage gewinnt dieser mittelalterliche französische Aphorismus nur noch mehr an Bedeutung. Geräte auf Basis der Dehnungsmessstreifen-Technologie werden zunehmend für präzise Messaufgaben in Industrie und Privathaushalten eingesetzt.
Inhalt
Was ist Dehnungsmessstreifen-Technologie und wozu dienen Wägezellen?
Dehnungsmessstreifen (von lateinisch tensus - betont) ist eine Methode und Technik zur Messung des Spannungs-Dehnungs-Zustands des gemessenen Objekts oder der Struktur. Da es unmöglich ist, die mechanische Spannung direkt zu messen, besteht die Aufgabe darin, die Verformung des Objekts zu messen und die Spannung mithilfe spezieller Techniken zu berechnen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials berücksichtigen.
Dehnungsmessstreifen beruhen auf dem Dehnungseffekt, d. h. der Eigenschaft fester Materialien, ihren Widerstand unter verschiedenen Verformungen zu ändern. Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die die elastische Verformung eines festen Körpers messen und in ein elektrisches Signal umwandeln. Dieser Prozess erfolgt durch die Veränderung des Widerstandes des Leiters des Sensors, wenn dieser gedehnt und gestaucht wird. Sie sind ein Kernelement in Geräten zur Messung von Dehnungen in Festkörpern (z. B. Maschinenteile, Konstruktionen, Gebäude).
Aufbau und Funktionsweise
Das Herzstück des Dehnungsmessstreifens ist ein Dehnungsmessstreifen, der mit speziellen Kontakten an der Vorderseite der Messzelle befestigt ist. Während des Messvorgangs berühren die empfindlichen Kontakte auf der Platte das Objekt. Diese Dehnung wird gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das an die Verarbeitungs- und Anzeigeelemente des Dehnungsmessstreifens weitergeleitet wird.
Je nach Einsatzgebiet unterscheiden sich die Sensoren sowohl im Typ als auch in der Art des Messwertes. Ein wichtiger Faktor ist die erforderliche Messgenauigkeit. Die Wägezelle einer Straßenfahrzeugwaage in einer Bäckerei kann beispielsweise nicht mit einer elektronischen Apothekenwaage mithalten, bei der es auf jedes hundertstel Gramm ankommt.
Schauen wir uns die Typen und Arten moderner Dehnungsmessstreifen genauer an.
Drehmomentsensoren
Drehmomentsensoren sind für die Messung des Drehmoments an rotierenden Teilen wie der Kurbelwelle eines Motors oder der Lenksäule konzipiert. Drehmomentsensoren können sowohl statische als auch dynamische Drehmomente berührend oder berührungslos (telemetrisch) ermitteln.
Balken-, Kragarm- und Kantenwägezellen
Diese Arten von Sensoren basieren in der Regel auf einer Parallelogrammkonstruktion mit einem integrierten Biegeelement für hohe Empfindlichkeit und Linearität der Messung. Die Dehnungsmessstreifen sind an den empfindlichen Teilen des elastischen Elements des Sensors befestigt und in einer Vollbrückenanordnung angeschlossen.
Der Träger-Dehnungsmessstreifen ist mit speziellen Löchern für die ungleichmäßige Lastverteilung und die Erfassung von Druck- und Zugdehnungen ausgestattet. Um eine maximale Wirkung zu erzielen, werden die Dehnungsmessstreifen mit Hilfe spezieller Markierungen genau auf die Oberfläche des Trägers an seiner dünnsten Stelle ausgerichtet. Hochpräzise und zuverlässige Wägezellen dieses Typs werden zum Aufbau von Multi-Sensor-Messsystemen in Plattform- oder Behälterwaagen verwendet. Sie werden auch in Dosierwaagen, Schüttgut- und Flüssigkeitsabfüllern, Kabelspannungsmessern und anderen Wägezellen eingesetzt.
Zug- und Druckkraftmessdosen
Zug- und Druckkraftmessdosen sind im Allgemeinen S-förmig und bestehen aus Aluminium oder rostfreiem Stahl. Konzipiert für Behälterwaagen und Dosiermaschinen mit einem Messbereich von 0,2 bis 20 Tonnen. S-Zug- und Druckkraftmessdosen können in Maschinen zur Herstellung von Kabeln, Geweben und Fasern eingesetzt werden, um die Zugkraft dieser Materialien zu überwachen.
Dehnungsmessstreifen aus Draht und Folie
Drahtgewickelt Dehnungsmessstreifen auf Rädern werden in Form von Spulen aus Draht mit kleinem Durchmesser hergestellt und mit Hilfe von Klebstoff am elastischen Element oder am zu prüfenden Werkstück befestigt. Ihre Merkmale sind:
- Einfachheit der Herstellung;
- lineare Abhängigkeit von der Belastung;
- Geringe Abmessungen und geringer Preis.
Die Nachteile sind die geringe Empfindlichkeit, der Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf den Messfehler und die Möglichkeit der Anwendung nur im Bereich der elastischen Verformung.
Folie Dehnungsmessstreifen sind aufgrund ihrer hohen messtechnischen Qualitäten und ihrer Herstellbarkeit derzeit die am weitesten verbreitete Art von Dehnungsmessstreifen. Ermöglicht wird dies durch die fotolithografische Technologie für ihre Herstellung. Die modernste Technologie ermöglicht die Herstellung von einzelnen Dehnungsmessstreifen mit einer Basis von 0,3 mm, speziellen Dehnungsmessstreifen-Fassungen und Dehnungsmessstreifen-Ketten mit einem breiten Betriebstemperaturbereich von -240 bis +1100 ºС, abhängig von den Materialeigenschaften des Messgitters.
Vor- und Nachteile von Wägezellen
Dehnungsmessstreifen sind aufgrund ihrer Eigenschaften weit verbreitet:
- Die Möglichkeit einer monolithischen Verbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem zu untersuchenden Werkstück;
- Geringe Dicke des Messelements, die eine hohe Messgenauigkeit mit einem Fehler von 1-3 % ermöglicht;
- einfache Montage, sowohl auf flachen als auch auf gewölbten Oberflächen;
- die Fähigkeit, dynamische Verformungen mit einer Frequenz von bis zu 50.000 Hz zu messen;
- die Fähigkeit, unter schwierigen Umgebungsbedingungen im Temperaturbereich von -240 bis +1100˚C zu messen;
- Möglichkeit zur gleichzeitigen Messung von Parametern an vielen Stellen der Teile;
- Möglichkeit der Messung von Verformungen von Objekten, die sich in großer Entfernung von Dehnungsmesssystemen befinden;
- Möglichkeit der Dehnungsmessung an beweglichen (rotierenden) Teilen.
Die Nachteile sind:
- der Einfluss der meteorologischen Bedingungen (Temperatur und Feuchtigkeit) auf die Empfindlichkeit der Sensoren;
- Geringfügige Widerstandsänderungen der Messelemente (ca. 1%) erfordern den Einsatz von Signalverstärkern.
- Wenn Dehnungsmessstreifen bei hohen Temperaturen oder in aggressiver Umgebung arbeiten, sind besondere Maßnahmen zu ihrem Schutz erforderlich.
Grundlegende Verbindungsdiagramme
Betrachten wir dies am Beispiel des Anschlusses von Dehnungsmessstreifen an Haushalts- oder Industriewaagen. Die Standard-Wägezelle für Waagen hat vier unterschiedlich gefärbte Adern: zwei Eingänge dienen der Stromversorgung (+Ex, -Ex), die anderen beiden sind Messausgänge (+Sig, -Sig). Es gibt auch Varianten mit fünf Drähten, bei denen ein zusätzlicher Draht als Schirm für alle anderen Drähte dient. Die Funktionsweise einer Balkenwägezelle ist recht einfach. Die Eingänge werden mit Strom versorgt, und an den Ausgängen wird Spannung abgegriffen. Die Höhe der Spannung hängt von der auf den Messfühler wirkenden Last ab.
Wenn die Kabellänge von der Wägezelle zur ADC-Einheit beträchtlich ist, wird der Widerstand der Kabel selbst den Messwert der Waage beeinflussen. In diesem Fall ist es ratsam, eine Rückkopplungsschaltung hinzuzufügen, die den Spannungsabfall durch Korrektur des in den Messkreis eingebrachten Leitungswiderstandsfehlers kompensiert. In diesem Fall weist der Schaltplan drei Adernpaare auf: Versorgung, Messung und Verlustausgleich.
Beispiele für Dehnungsmessstreifen-Anwendungen
- Eine Komponente bei der Konstruktion von Waagen.
- Messung der Verformungskräfte bei der Metallumformung auf Schmiedepressen und Walzwerken.
- Überwachung des Spannungs-Dehnungs-Zustandes von Bauwerken und Konstruktionen während ihrer Errichtung und ihres Betriebs.
- Hochtemperatursensoren aus hitzebeständigem legiertem Stahl für metallurgische Anlagen.
- mit federndem Element aus Edelstahl für Messungen in chemisch aggressiver Umgebung.
- Zur Druckmessung in Öl- und Gaspipelines.
Einfachheit, Bequemlichkeit und Verarbeitbarkeit von Wägezellen sind die Hauptfaktoren für ihren weiteren aktiven Einsatz, sowohl in messtechnischen Prozessen als auch bei der Verwendung im täglichen Leben als Messelemente von Haushaltsgeräten.
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