Kraftaufnehmer für den rauen Praxisalltag

Technology Review
Kraftaufnehmer für
den rauen Praxisalltag
Robert Sarnelli
Bei der Papierproduktion spielt die Geschwindigkeit, ebenso wie in anderen Industriezweigen, eine wichtige Rolle. So kann beispielsweise eine Papiermaschine für 5 m Bahnbreite in
1 min eine 1 km lange Papierbahn ausstoßen. Würde allerdings so eine Bahn reißen, die Kosten wären enorm und das Chaos unvorstellbar, wenn die Bahn auf den Boden quillt und ein
Durcheinander verursacht, das die Papierhersteller treffend mit «Heumachen» umschreiben.
Ein solches Szenario zeigt deutlich, warum Hersteller kommerzieller Druckerzeugnisse,
Kunststoff-Folien und Textilien besonderen Wert auf eine zuverlässige und einheitliche
Bahnzugmessung legen. Leider sind die zur Messung der Bahnspannung verwendeten
Kraftaufnehmer häufig den rauen Bedingungen im Industrieeinsatz nicht gewachsen.
In den letzten Jahren hat ABB High-Tech-Kraftaufnehmer auf den Markt gebracht, die
neue Maßstäbe setzen. Sie sind in der konzerneigenen Messfühlertechnik Pressductor®
aufgebaut, bieten hohe Genauigkeit, und ihre Robustheit macht sie
für den Einsatz unter harten Industriebedingungen
bestens geeignet.
1
1
F
ührer von Papierverarbeitungs-, Textilverarbeitungs-, Folien- oder Rollendruckmaschinen wissen, dass maximale Produktqualität und Effizienz in
hohem Maße von der Zuverlässigkeit der Bahnzugmessungen abhängen. Aber wie viele andere Komponenten, so arbeiten auch Kraftaufnehmer zur Bandzugmessung unter Laborbedingungen zwar einwandfrei, zeigen aber in der Praxis unter so genannten «normalen»
Betriebsbedingungen große Probleme.
Viele umgebungsbedingte Einflussfaktoren sowie
einmalige Ereignisse können die Zuverlässigkeit und
Stetigkeit der Kraftaufnehmersysteme zur Bandzugmessung beeinträchtigen. Die Probleme können in Form
von Drift oder instabilen Ausgängen auftreten und sich
entsprechend negativ auf Maschinenleistung und Produktionsqualität auswirken. Tatsächlich bezeichnen die
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Control output:
0-5 V, 0-10 V
or 4-20 mA
Supply:
115 VAC
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Instrument output:
0-10 V
Ein typisches Bahnzugmesssystem mit Messwalze, Kraftauf-
nehmern (1) und Zentraleinheit (2). Anzeige- und Zugregelgeräte
werten die Ausgangssignale aus. Die Pillow-Block-Kraftaufnehmer
sind zwischen den Lagern für die Messwalze und den Lagerböcken der Maschine eingebaut.
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Glossar
Anwender mangelndes Vertrauen in die
Messwerte von Kraftaufnehmern häufig als
ihr größtes Problem bei Bahnspannungsmessungen.
Anatomie eines
Spannungsmesssystems
Ein System zur Bahnzugmessung besteht
im allgemeinen aus zwei Kraftaufnehmern,
die an den Enden einer (meist nicht angetriebenen) Walze an der Produktionsmaschine befestigt und über Signalkabel mit
einer Zentraleinheit verbunden sind 1 .
Diese Walze trägt die Bezeichnung «MessWalze». Die «Elektronik», die an der Maschine oder an anderer Stelle sitzen kann, verstärkt und verbessert die Ausgangssignale
der einzelnen Kraftaufnehmer – und kombiniert sie auch manchmal.
Grundsätzlich gibt es für diese Arten
von Produktionsmaschinen zwei Kraftaufnehmer-Anordnungen: die so genannte
Pillow-Block-Anordnung und die wellengekuppelten Kraftaufnehmer. Bei der Pillow-Block-Anordnung werden die Kraftaufnehmer zwischen den Stehlagern für die
Achszapfen der Messwalze und den Lager-
böcken der Maschine montiert. Bei wellengekuppelten Systemen werden die Kraftaufnehmer direkt an den Achszapfen der
Messwalze installiert und an der Maschinenwand befestigt 2 .
Der Messfühler in einem Kraftaufnehmer ist der eigentliche Sensor. Er wandelt
die mechanischen Kräfte in elektrische Signale um. Das Kraftaufnehmergehäuse hat
die Aufgabe, den Messfühler zu halten und
zu schützen und gleichzeitig die in der
Bahn wirkenden Kräfte in den Messfühler
zu leiten.
Bei der Wahl der Kraftaufnehmer für
eine bestimmte Anwendung besteht die
wichtigste und oft auch schwierigste Aufgabe darin, den zweckmäßigsten Messbereich
eines Kraftaufnehmers, d. h. seine Nennkapazität, zu berechnen. Um ein zuverlässiges Ausgangssignal zu erhalten, muss die
Auswahl verschiedene Faktoren berücksichtigen, wie das verarbeitete Material, die
Spannung, die Bahngeschwindigkeit und
-breite sowie den Winkel, in dem die Bahn
die Messrolle umschlingt.
Arbeitsbereich: Auch Anwendungsbereich. Verhältnis
von höchsten zu niedrigsten Belastungswerten,
zwischen denen das Kraftaufnehmersystem arbeitet.
Auslenkung: Bewegung, d. h. Lageveränderung eines
Körpers, in einem Kraftaufnehmer, bewirkt durch eine
mechanische Kraft.
Dichtungen: Membranen aus Gummi oder Kunststoff,
die verhindern, dass Schmutzstoffe in das Innere des
Kraftaufnehmer-Gehäuses gelangen.
Drift: Änderung des Ausgangswertes bei konstanter
Bahnspannung.
Elektromagnetische Störung (EMI): Elektrische
Störung des Messsystems durch Quellen wie Leistungskabel und umrichtergespeiste Antriebe.
Genauigkeitsklasse: Auch Messgenauigkeit. Messfehler eines Kraftaufnehmers in Prozent der Nennlast.
Hochfrequente Störung (RFI): Störung des Messsystems durch Hochfrequenz-Störquellen wie
z. B. Walkie-Talkies und Handys.
Kraftaufnehmer: Gehäuse, das einen oder mehrere
Messfühler enthält.
Mechanischer Anschlag: Verhindert, dass ein nach
dem Bewegungsprinzip arbeitender Messfühler bei
Überlast über einen bestimmten Punkt hinaus ausgelenkt wird.
Messfühler: Kraftsensorelement in einem Kraftaufnehmer, das mechanische Kräfte in elektrische Signale
umwandelt.
Nacheichung: Neufestlegung des Nullpunktes und der
Einstellungen für die Verstärkung.
Nachkalibrieren: Einstellen der Nullpunkt-Stellung, um
den Systemausgang auf Null zu bringen, wenn kein
Bahnzug anliegt.
Nennlast: Auch Nennkapazität. Maximale Last, für die
der Kraftaufnehmer ausgelegt ist und die er mit voller
Genauigkeit messen kann.
Nullpunktdrift: Änderung des Ausgangs bei Spannung
Null.
Stoßlasten: Plötzliche, kurzzeitige Lasten.
Control output
0-5 V, 0-10 V or 4-20 mA
Instrument output:
0-10 V
Supply:
115 VAC
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Wellenmontierte Kraftaufnehmer werden an den Innenwänden
der Maschinen befestigt und mit der Welle der Messwalze gekoppelt.
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Überlast: Belastungswert, der zu einer bleibenden
Veränderung der Kraftaufnehmer-Eigenschaften führt.
Umschlingung: Der Teil des Umfangs einer Walze, den
das Bahnmaterial bedeckt. Sie wird im Allgemeinen in
Winkelgraden angegeben.
Wiederholgenauigkeit: Die Fähigkeit des Messsystems, bei wiederholt angelegten gleichen Spannungen
bzw. Zügen das gleiche Ausgangssignal zu erzeugen.
Zentraleinheit: Wandelt das Messsignal des Kraftaufnehmers in ein Einheitssignal um und sorgt für die Signalausgabe zu den Regel- und Anzeigegeräten.
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Technology Review
Einfluss der
Betriebsbedingungen
Erfordern die Kraftaufnehmer in Papierverarbeitungs-, Texilverarbeitungs-, Folienoder Rollendruckmaschinen häufig Wartung oder Austausch, so kann dies den
Betrieb sehr stören; ja es stellt sich sogar
die Frage nach der praktischen Brauchbarkeit der Bahnzugmessung. Worauf ist nun
diese «Zuverlässigkeitslücke» zurückzuführen? Während die Kraftaufnehmer theoretisch den betrieblichen Beanspruchungen
durchaus standhalten können, bringt allein
die hohe Anzahl möglicher Gefahren in der
Regel gewisse Unsicherheiten bzw. Verschleißerscheinungen mit sich (siehe
Tabelle).
Weil Kraftaufnehmer dauernd in Betrieb
sind, sie ständig die Bahnkräfte aufnehmen
und die Umgebungseinflüsse ununterbrochen auf sie einwirken, können sich selbst
geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten kumulieren und zu einer gewissen Unzuverlässigkeit bzw. zu Ausfällen führen.
Überlasten und Stoßlasten
Faktoren, die das Verhalten
von Kraftaufnehmern
beeinflussen
Ereignisse
Überlasten
Stoßlasten
Anwendung,
Einbau und Gebrauch
Lagertyp
Wirken solche Lasten auf die Messwalze,
so können sie die Eichung des Kraftaufnehmers verstellen oder gar zerstören. Die
Walzenmomente, die während eines NotHalts entstehen, können zu sehr hohen
Überbeanspruchungen führen. Den gleichen Effekt hat Bahnmaterial, das sich
nach einem Bahnriss um eine Messwalze
wickelt oder wenn jemand unabsichtlich
auf eine Messwalze tritt.
Einbauart
Über- und Unterdimensionierung
Umfang der Umschlingung
Umschlingungswinkel
Handhabung
Betriebsbedingungen
Chemikalien
Elektromagnetische und hochfrequente Störungen
Dämpfe mit korrodierenden
und/oder sich niederschlagenden Stoffen
Feuchtigkeit
Schwebeteilchen
Umgebungstemperatur
Temperaturgradient
Beitrag zu Schwingungen
Wirkung von Schwingungen
auf Messungen
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Elektromagnetische und
hochfrequente Störung
Die Signalverkabelung zwischen dem
Kraftaufnehmer und der Elektronik wirkt
sozusagen als große Antenne, die von zahlreichen Quellen Störsignale aufnimmt. Traditionell stammen sie von Starkstromkabeln
und Antriebssystemen, doch die Verbreitung von Handys und anderen drahtlosen
Geräten in der Anlage verschärft die Situation weiter.
Die Signalleitungen mit ihren hohen
Abschlusswiderständen und -impedanzen
sind besonders stark für induzierte Ströme
und Spannungen anfällig. Eine Minimierung dieser Effekte beim Entwurf und Aufbau der Kraftaufnehmer verbessert deren
Störfestigkeit. Erhöhend wirkt auch die
intelligente Verlegung der Starkstromkabel
und Signalleitungen und deren sachgerechte Schirmung.
Verschmutzung
Flüssigkeiten und Dämpfe mit korrodierenden oder sich niederschlagenden Stoffen
sowie Schwebeteilchen können die Funktionsfähigkeit von Kraftaufnehmern,
Kabeln, Leitungen und Elektronik beeinträchtigen. Oft gehören diese Schmutzstoffe
zu den «normalen» Umgebungsbedingungen.
Da Messfühler ein Analogsignal niedriger Spannung abgeben, wird dieses
besonders durch feuchtigkeitsbedingte
Kriechwege beeinträchtigt.
Korrosion beeinflusst häufig die mechanische Funktionsfähigkeit – eindeutig ein
ernst zu nehmender Faktor bei Kraftaufnehmern, die auf Bewegung ansprechen.
Außerdem kann Korrosion die Funktion
der zur Vermeidung von Überlastung eingesetzten mechanischen Anschläge beeinträchtigen. Die Anschläge wirken zu früh,
was nicht nur den Messbereich des Kraftaufnehmers reduziert, sondern auch seine
Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit vermindert.
Auswirkungen des Aufbaus und
Betriebs der Maschinen
Das Messverhalten wird auch von Faktoren
beeinflusst, die im Zusammenhang mit den
technischen Daten und dem Einsatz eines
Zugmesssystems sowie mit dem Betrieb der
jeweiligen Produktionsmaschine stehen.
Schwingungen
Als Bestandteil des mechanischen Aufbaus
sind Kraftaufnehmer sowohl Objekt als
auch Verursacher von natürlichen Maschinenschwingungen. Diese Schwingungen
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Messfühler-Technologien
können den Anlauf der Maschinen komplizierter gestalten und bis in den Bereich
der Betriebsdrehzahl Resonanzfrequenzen
verursachen. Betriebsarten mit hoher
Drehzahl, beispielsweise Umrollen und
Rollenoffsetdruck, sind dabei besonders
anfällig.
Temperaturschwankungen
Die Wärmeausdehnung bzw. -schrumpfung
der Messwalze verursacht axiale Kräfte, die
auf den Kraftaufnehmer wirken. Für
genaue Messungen müssen diese Kräfte
abgeschwächt werden. Problematischer ist
jedoch gewöhnlich eine ungleiche Temperaturverteilung innerhalb des Kraftaufnehmer-Gehäuses. Die in Wälz- und Gleitlagern entstehende Wärme geben die Lager
an ihre Umgebung ab. Im Kraftaufnehmer
entsteht dadurch ein Temperaturgefälle,
das interne Spannungen verursacht, die
ihrerseits beim Messen eine Drift bewirken
können. Kraftaufnehmer verfügen meist
über verschiedene Arten der Temperaturkompensation, um die Auswirkungen eines
Temperaturgefälles zu mildern.
Kapazitätsauslegung
Aufgrund des generellen Sicherheitsbedürfnisses besteht die Neigung, den Kraftaufnehmer für eine bestimmte Nennlast nach
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dem Motto «größer ist besser» überzudimensionieren. Aber die Genauigkeitsklasse,
Wiederholbarkeit und andere Eigenschaften des Kraftaufnehmers sind auf eine
Nennlast bezogen, und die Kraftaufnehmer
arbeiten dann am besten, wenn sie die
gesamte oder den größten Teil Ihres Messbereiches nutzen. Bei Betrieb mit niedrigeren Spannungswerten ist der Anteil der Störungen (z. B. Temperatur sowie hochfrequente und elektromagnetische Störsignale) an der erfassten Gesamtkraft größer.
Der Signal-Rausch-Abstand verringert sich,
was zu unzuverlässigeren Messungen führt.
Montage und Ausrichtung von
Kraftaufnehmern
Eine unzureichende Steifigkeit bei der
Montage – speziell die Verwendung
mechanisch zu schwacher Winkelkonsolen
– ist bei den betrachteten Anwendungen
nicht ungewöhnlich. Die Neigung der Walzenanordnung, bei Zugbelastung durch die
Bahn nachzugeben, wird leicht unterschätzt.
Schlechte Ausrichtung der Walzen, falsche Lagerauswahl und mangelnde Berücksichtigung der temperaturbedingten Ausdehnung und Kontraktion beim Entwurf
tragen ebenfalls zu «irrelevanten», die Messwerte verfälschenden Kräften bei.
Während es Kraftaufnehmer in verschiedensten Ausführungen gibt, liegen den Messfühlern nur einige wenige Funktionsprinzipien zu Grunde. Zwei dieser Messfühler
nutzen die Bewegung im Kraftaufnehmer
und im Messfühler und erzeugen daraus ein
elektrisches Messsignal, das sich proportional zum anliegenden mechanischen Zug
verhält. Bei Kraftaufnehmern sind als Messfühler Dehnungsmessstreifen am weitesten
verbreitet, danach folgt mit Abstand an
zweiter Stelle der so genannte «lineare variable Differential-Transformator» (LVDT).
Eine dritte Technologie nutzt zur Erzeugung von Signalen die inneren magnetischen Eigenschaften bestimmter Stähle und
kommt dabei ohne jede Bewegung im
Messfühler aus. Diese Technologie bildet
die Grundlage für eine der zentralen HighTech-Entwicklungen im Bereich der Kraftmessung des ABB-Konzerns. Er vertreibt
sie unter der Produktbezeichnung Pressductor®. Im Jahr 1998 brachte das Unternehmen eine neue Baureihe von sehr
zuverlässigen und unverwüstlichen Kraftaufnehmern auf den Markt, die auf dem
Funktionsprinzip von Pressductor® beruhen
und deren mechanische Ausführung eine
weitere Verbesserung der Messqualität
gewährleistet.
DehnungsmessstreifenTechnologie
Wirkt auf ein Stück Kupferdraht mit einem
definierten Querschnitt und elektrischen
Widerstand eine bestimmte mechanische
Spannung, so wird der Draht etwas
gestreckt. Da die Streckung den Drahtquerschnitt verringert, erhöht sich sein elektrischer Widerstand. Die Messung dieser
Widerstandsänderung bildet die Grundlage
für ein elektrisches Signal, das sich der zur
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Technology Review
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Die auf einen Kraftaufnehmer aufgeklebte Schaltung, ein
Dehnungsmessstreifen-Element, wird durch mechanische
4
Ein Signal entsteht, wenn eine mechanische Kraft den
Messbalken des DMS-Kraftaufnehmers biegt.
Krafteinwirkung gestreckt bzw. gestaucht.
∆L
L
R
∆R
Streckung des Drahtes angelegten mechanischen Kraft proportional verhält. Im
Grunde basiert darauf die Wirkung des
Dehnungsmessstreifen-Sensors.
Das Sensorelement Dehnungsmessstreifen besteht im Wesentlichen aus sehr dünnen Drähten oder Metallfolie-«Fingern»,
angeordnet in Form eines elektrischen Gittermusters auf einem Trägermaterial. Zwei
oder mehr dieser Messelemente von der
Größe einer Briefmarke werden an geeigneten Stellen auf gegenüberliegenden
Innenflächen des Kraftaufnehmer-Gehäuses
aufgeklebt 3 .
Durch den Aufbau der Kraftaufnehmer
mit Dehnungsmessstreifen kann sich die
Innenfläche auf der einen Seite strecken
und auf der gegenüberliegenden stauchen,
sowie auf den Kraftaufnehmer eine mechanische Kraft wirkt. Die sorgfältig angeordneten und mit den Innenflächen verklebten
Messfühlerelemente folgen diesen Bewegungen unmittelbar 4 .
Die zwei Messelemente werden miteinander zu einer klassischen Messbrücke, der
so genannten «Wheatstone-Brücke», verbunden. Durch die Änderung des Widerstandes in den Messelementen entsteht in
der Messbrücke eine elektrische Unsymmetrie, die das Kraftaufnehmer-Signal bewirkt.
Bei den Kraftaufnehmern mit Dehnungs56
messstreifen für die eingangs erwähnten
Maschinen liegt die Bewegung in der
Größenordnung von 0,005 bis 0,010 Zoll.
Als Widerstandselemente werden im Allgemeinen 350-Ω-Elemente verwendet, die
Widerstandsänderungen im MikroohmBereich erzeugen. Das Ausgangssignal der
Wheatstone-Brücke beträgt ungefähr
30 mV, so dass sich eine Signalausgangsleistung von ungefähr 2,5 µW ergibt.
LVDT (Linearer variabler
Differential-Transformator)
Ein LVDT-Sensor wandelt die Auslenkung,
ausgelöst durch eine mechanische Kraft auf
5
einen einseitig eingespannten Balken des
Kraftaufnehmers, in eine Unsymmetrie in
zwei Transformatorspulen um und erzeugt
dadurch ein Messsignal 5 .
Wenn sich der Balken biegt, verschiebt
er einen zwischen einer Primär- und zwei
Sekundärspulen des Transformators liegenden Tauchkern in Richtung der Kraft. Die
Änderung der Kernposition verändert die
magnetische Kupplung zwischen Primärund Sekundärspulen. Das vom Kraftaufnehmer gelieferte Ausgangssignal entspricht der Differenz zwischen den in den
beiden Sekundärspulen induzierten Spannungen. In der Ruhestellung des Kraftaufnehmers bleibt der Tauchkern in einer
In der LVDT-Messfühler-Technologie lenkt die Bahnspannung eine schwenkbar
gelagerte Platte des Kraftaufnehmer-Gehäuses aus. Dadurch bewegt sich ein
Ferritkern zwischen mehreren elektromagnetischen Spulen und erzeugt so ein
Messsignal.
Primary
S1
Vo=(S2-S1)
S2
Flex point
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Mittelposition. Damit beträgt die Differenz
zwischen den beiden Sekundärspannungen
Null, und der Kraftaufnehmer liefert kein
Ausgangssignal.
LVDT-Sensoren liefern ein starkes Signal – in der Regel eine Ausgangsspannung
von 5 V. Allerdings braucht der Messfühler
eine deutliche Bewegung, d. h. ungefähr
0,030 Zoll bei Nennlast, damit er ein Messsignal erzeugen kann. Der Überlastschutz
des Kraftaufnehmers besteht ausschließlich
aus mechanischen Anschlägen 6 . Der
Messfühler selbst verfügt über keinen internen Überlastschutz.
1
1
S1
P
S2
6
Lastaufnehmerkonfiguration. Ein Kolben (Mitte) dämpft die Bewegung im
LVDT-Kraftaufnehmer, und ein mechanischer Anschlag (rechts) sorgt für den
Magnetoelastische Messfühler
Überlastschutz.
Der magnetoelastische Effekt beschreibt
das metallurgische Phänomen, demnach
eine mechanische Kraft die magnetische
Permeabilität einiger Stähle ändert. Darauf
beruht die Wirkungsweise magnetoelastischer Messfühler.
Wie bei der LVDT-Technik resultieren
auch bei dieser Technik die Messsignale
aus Änderungen von elektromagnetischen
Feldern. Aber anders als beim LVDT entstehen die Magnetfeldänderungen nicht durch
eine Bewegung innerhalb des Kraftaufnehmers, sondern durch die magnetoelastischen Eigenschaften des Stahls, aus dem
sowohl die Kraftmessdose als auch der
gesamte Kraftaufnehmer besteht 7 .
Der magnetoelastische Effekt wandelt
einen Teil der Energie einer mechanischen
Kraft, die auf den Kraftaufnehmer wirkt, in
Änderungen der Permeabilität des Stahls
um. Die Fähigkeit des Stahls, Magnetfelder
zu halten, ändert sich hinsichtlich Größe
und Richtung. Wie der spezifische Widerstand und der spezifische Leitwert den
Elektrizitätsfluss beschreiben, so beschreibt
die Permeabilität den Magnetfluss oder die
Fähigkeit, ein Magnetfeld zu halten.
1
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7
Bahnzug
2
Resultierende Kraft
Magnetoelastische Messfühler-Technologie im Einsatz. Die auf einen
Stahlblock wirkende Kraft ändert den Verlauf des Magnetfeldes im Block
so, dass ein Messsignal entsteht.
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Schnitt durch einen magnetoelastischen Kraftaufnehmer. In der Primärwicklung fließt ein konstanter Strom, der ein
Magnetfeld erzeugt. Wirkt eine Kraft auf den Kraftaufnehmer, so ändert sich der Verlauf des Magnetfeldes und es entsteht in
der rechtwinklig angeordneten Sekundärwicklung ein Ausgangssignal.
ABB nutzt dieses Prinzip in den neuen
Pressductor®-Kraftaufnehmern. Für Bahnzugwerte konzipiert, wie sie in Maschinen
zur Folienherstellung, zur Textilverarbeitung und zum kommerziellen Rollendruck
auftreten, haben diese Kraftaufnehmer
auch einen darauf abgestimmten mechanischen Aufbau. Er verbessert weiter die
Messqualität, indem er die Kraft, die auf
den Messfühler einwirkt, ausschließlich auf
die in Messrichtung wirkende Kraftkomponente begrenzt. Alle anderen Richtungskräfte, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen, werden neutralisiert.
Grundsätzlich besteht der Pressductor®Kraftaufnehmer aus zwei rechtwinklig
zueinander angeordneten Kupferdrahtspulen, die durch vier Löcher einer Stahlmembran – der Messzone – geführt sind
8 . Durch Speisung mit einem konstanten Wechselstrom entsteht in einer der
Spulen ein Magnetfeld. Sowie eine
mechanische Kraft auf den Messfühler
wirkt, ändert die magnetoelastische
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Eigenschaft des Stahls den Verlauf des
Magnetfeldes so, dass ein Teil des Feldes
in der zweiten Spule eine Wechselspannung induziert, die sich proportional zur
einwirkenden Kraft verhält.
Mit ungefähr 20 000 µW ist das Signal
für Messfühler zur Signalumwandlung und
ähnlichen Anwendungen außergewöhnlich
stark. Das Funktionsprinzip gewährleistet
auch eine beträchtliche Überlasttoleranz
sowie eine steife Kraftaufnehmer-Konstruktion – beides höchst wünschenswerte Attribute. Die physikalische Beanspruchung
des Metalls der Messfühlermembran bleibt
selbst bei voller Nennlast niedrig. Daraus
resultiert je nach Kraftaufnehmertyp ein
natürlicher Überlastspielraum von 300 bis
500 % des Bemessungswertes.
Bei den magnetoelastischen Kraftaufnehmern für industrielle Anwendungen
beträgt die Auslenkung bei Nennlast ungefähr 0,0005 Zoll. Gefertigt aus einem massiven Block aus korrosionsfreiem Stahl, ist
ihr Weg unter Last zwischen 10 und 100
Mal kürzer als bei Kraftaufnehmern nach
dem Bewegungsprinzip.
Auswirkung der Messtechnologie
auf Aufbau und Leistung von
Kraftaufnehmern
Kraftaufnehmer mit
Dehnungsmessstreifen
DMS-Kraftaufnehmer sind wirtschaftlich,
problemlos erhältlich und technologisch
für eine breite Palette von Messbereichen,
Bauformen und Leistungskennlinien geeignet. Häufig bauen und liefern die Hersteller Komplettlösungen für Spannungsmessund -regelungsaufgaben. Die MessfühlerElemente stammen von Spezialfirmen.
Allerdings reagieren DMS-Kraftaufnehmer häufig empfindlich auf Einflüsse, die
von den Einsatzbedingungen im Maschinenbereich herrühren, sowie auf andere
Faktoren. Dazu zählen:
■ Ein relativ schwaches Signal – in der
Größenordnung von 2,5 µW – in
ABB Technik 3/2001
Verbindung mit dem hohen elektrischen
Widerstand des Messfühlers führt zu Einbußen bei der Signalqualität infolge elektrischer Störungen und Kraftnebenschlüssen.
Auch Erdschlüsse und ähnliche Fehler
können Probleme verursachen. Weil der
typische Ausgangswiderstand eines Messfühlers ungefähr 350 Ω beträgt, würde ein
Erdschluss von 10 kΩ den Signalpegel um
4% senken.
■ Empfindlichkeit gegen Schmutzstoffe,
wie bereits oben beschrieben.
■ Begrenzte Überlasttoleranz. Der bewegungsabhängige Messfühler arbeitet nahe
an dem Punkt, an dem bei der Metallfolie
die plastische Verformung einsetzt. Dies
beschränkt die Überlasttoleranz auf ungefähr 150 bis 200 % der Aufnehmerkapazität.
■ Beitrag zu Maschinenschwingungen.
LVDT-Kraftaufnehmer
LVDT-Kraftaufnehmer liefern ein leistungsstarkes Ausgangssignal, das ihre Toleranz
gegenüber elektrischen Störungen erhöht.
Allerdings begrenzt die zur Signalerzeugung benötigte beträchtliche Bewegung
von 0,030 Zoll und mehr ihre Steifigkeit
deutlich. Die daraus resultierende Neigung
der Kraftaufnehmer zu Wälzbewegungen
und ihr Beitrag zu Maschinenschwingungen schränken ihre Brauchbarkeit ein. Dies
gilt besonders für solche Anwendungsfälle,
in denen es auf genaue Bahnregelung
ankommt, wie z. B. bei Rollenoffsetmaschinen.
Wegen der funktionsbedingten Bewegung reagieren die Kraftaufnehmer zudem
auf Schwebestoffe und Flüssigkeiten am
Einsatzort empfindlich, was wirksame
Abdichtungen erfordert. Während für DMSMessfühler elastische Dichtmittel genügen,
bedingt die größere Bewegung von LVDTABB Technik 3/2001
Aufnehmern die höhere Flexibilität von
«Gummidichtungen». Diese wiederum sind
für Beschädigungen anfällig.
Kurz gesagt, LVDT-Kraftaufnehmer sind
mechanisch aufwändig und erfordern viele
mechanische Einstellungen und häufige
Wartung, wenn sie einwandfrei arbeiten
sollen.
Kraftaufnehmer mit
magnetoelastischem Messfühler
Hochleistungs-Kraftaufnehmer in der magnetoelastischen Messfühler-Technologie
Pressductor® von ABB kommen bereits seit
Jahrzehnten unter den anspruchsvollen
Betriebsbedingungen der Eisen- und Stahlindustrie sowie der Zellstoff- und Papierindustrie zum Einsatz. Die Entwicklungen
der letzten Jahre im Bereich der Metallurgie, des mechanischen Aufbaus und der
Fertigungstechniken haben es inzwischen
ermöglicht, Pressductor®-Kraftaufnehmer
mit viel niedrigeren Nennkapazitäten anzubieten.
Diese Kraftaufnehmer benötigen zur
Erzeugung eines Messsignal keine Bewegung im Messfühler. Die kleineren Pressductor®-Kraftaufnehmer werden aus massiven Blöcken aus korrosionsfreiem Stahl
gefertigt. Das macht sie mechanisch stabil,
Dichtungen erübrigen sich. Sie zeichnen
sich durch einen breiten Arbeitsbereich –
ungefähr 30:1 – aus, und der lineare Messbereich entspricht der zweifachen Nennlast. Mechanische Anschläge werden nicht
verwendet.
Da der Messvorgang innerhalb eines
Stahlkerns stattfindet, können Schmutzstoffe aus der Umgebung das Betriebsverhalten und die Zuverlässigkeit des Kraftaufnehmers nicht beeinträchtigen.
Das ungefähr 20 000 µW starke Wechselspannungssignal gewährleistet eine
zuverlässige Signalgabe und eine hohe
Toleranz gegenüber elektrischen Störungen. Die niedrige Impedanz der in den
magnetoelastischen Messfühler integrierten
elektromagnetischen Spulen – die wenigen
Windungen Kupferdraht machen weniger
als 1 Ω aus – reduziert die Anfälligkeit der
Kraftaufnehmer für elektromagnetische und
hochfrequente Störungen noch weiter. Die
niedrige Impedanz begrenzt auch die Auswirkungen von Erdschlüssen. Ein Erdschluss von 10 kΩ würde einen Signalfehler von unter 0,1 % verursachen.
Magnetoelastische Kraftaufnehmer kosten gewöhnlich geringfügig mehr als andere Typen, hauptsächlich wegen der hohen
Anforderungen an die metallurgischen Prozesse und die Fertigung. Explosionsschutzmaßnahmen bereiten vor allem wegen des
relativ hohen Wechselstroms zur Speisung
der Primärwicklung Schwierigkeiten.
Die magnetoelastische Messfühler-Technologie leistet im Bereich der Gesamttoleranz ihren wichtigsten Beitrag zum günstigen Betriebsverhalten der Kraftaufnehmer.
Die Technologie ermöglicht den Bau von
Kraftaufnehmern, die Überlasten, elektrische Störungen, hohe Temperaturen,
Schmutzstoffe sowie kleine Fehler in der
Spezifikation und bei der Montage verzeihen.
Adresse des Autors
Robert Sarnelli
ABB Automation Inc
20 Farrington Road
Brewster, New York 10509, USA
[email protected]
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