Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss

Kompendium Messtechnik und Sensorik, Teil 9

Jörg Böttcher

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2019
• eBook-ISBN: 9783749471478
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Das E-Book behandelt in kompakter Form Aufbau und Funktion von Sensoren für das Messen von Kräften, Drücken, Drehmomenten und Durchflüssen in folgenden Abschnitten: - Kraftsensoren- Drucksensoren- Drehmomentsensoren- DurchflusssensorenAußerdem ist ein Verzeichnis mit in der Messtechnik und Sensorik häufig verwendeten Abkürzungen enthalten.Es stellt den Teil 9 des Kompendiums Messtechnik und Sensorik dar. Das Kompendium versteht sich als Grundlagenüberblick zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich gerätebezogener Anwendungspraxis. Es möchte auf effiziente Art das notwendige Basis-Know-how vermitteln, um messtechnische Aufgabenstellungen auf einer fundierten Grundlage selbständig anzugehen. Es wendet sich einerseits an im Beruf stehende Ingenieure, Techniker und Naturwissenschaftler, die messtechnische Systeme einsetzen. Andererseits an Studierende und Lehrende in technischen Bachelor- und Masterstudiengängen bzw. an Techniker- und Meisterschulen.Zu den Kompendiumsinhalten ist ein Multiple Choice-Test unter www.messtechnik-und-sensorik.org frei verfügbar. Wer diesen besteht, kann ein vom Autor Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher unterzeichnetes Fortbildungszertifikat gegen eine zusätzliche Gebühr erwerben.

Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss

Nachdem wir uns im vorletzten Kapitel mit Sensoren zur Messung geometrischer Größen beschäftigt hatten, ging es im letzten Kapitel vorwiegend um die Erfassung von Bewegungen (linear, rotatorisch) über der Zeit, also das, was der Physiker Kinematik nennt. Nachfolgend wollen wir nun auf Sensoren eingehen, die Messgrößen aus der sog. Dynamik erfassen. Hierzu gehören zunächst Kraft, Druck und Drehmoment. Abschließend gehen wir noch auf die Messung des Durchflusses einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Rohr bzw. Schlauch ein. Der Durchfluss ist zwar eine kinematische Messgröße, wird jedoch i.d.R. indirekt über dynamische Effekte gemessen.

Kraftsensoren

Auch wenn es bei Kraftsensoren wie bei allen Sensorarten sehr viele unterschiedliche Funktionsprinzipien gibt, nach denen diese aufgebaut sind, so dominieren doch zwei Grundverfahren das Angebot: DMS-basierte Kraftsensoren sowie solche nach dem piezoelektrischen Prinzip. Bild 1 zeigt ausgewählte Varianten des erstgenannten Typs.

Bild 1: DMS-Kraftsensoren

In der links gezeichneten Varianten erkennt man einen Hohlzylinder mit an einer Seite je nach Messbereich dünnerer Abschlusswand. Wird dieser Sensorkörper in einen Kraftfluss F installiert, so wird sich diese Wand ähnlich einer Membran leicht nach innen wölben. Die dabei entstehenden Dehnungen ε werden durch DMS gemessen. Ein weiter außen angebrachter DMS erfährt dabei eine Dehnung, während ein weiter innen liegender gestaucht wird. Vier entsprechend angebrachte DMS ergeben inklusive Verdrahtung die zur Auswertung üblicherweise verwendete Vollbrücke. Diese die Biegungbeanspruchung nutzende Variante ist für Messbereiche von typ. ca. 1 N bis 50 kN erhältlich.

Die in der Bildmitte gezeigte Version nutzt die Druck- bzw. Zugbeanspruchung eines Hohlzylinders aus. Innenseitig in Kraftrichtung angebrachte DMS werden längs ihrer natürlichen Messrichtung gedehnt bzw. gestaucht. Quer angebrachte DMS erfahren genau entgegen gesetzt eine Stauchung bzw. Dehnung. Diese Version wird meist für größere Messbereiche von ca. 20 kN bis mehreren MN implementiert.

Die dritte Variante schließlich basiert darauf, das an den Innenwänden der zwei eingezeichneten Bohrungen (insgesamt können es auch mehrere sein) Scherkräfte wirken, die mit im 45°-Winkel angebrachten DMS erfasst werden können. Auch hier lassen sich betragsmäßig identische, jedoch von der Wirkrichtung her gesehen entgegengesetzte Sensorpositionen finden, so dass ebenfalls eine Vollbrückenstruktur leicht zu realisieren ist. Die Messbereiche sind ähnlich wie bei der mittleren Version.

Bevor wir das zweite Grundverfahren ansprechen, wollen wir noch ergänzen, dass Kraftsensoren, die speziell Wägezwecken dienen, alternativ meist „Wägezellen“ genannt werden. Sie werten formal die Gewichtskraft G gemäß

(Formel 1)

aus. Die für die Umrechnung in die eigentlich gewünschte Masse m erforderliche Erdbeschleunigung g ist bekanntermaßen von der genauen Position auf der Erde abhängig, weshalb man Systeme mit derartigen Wägezellen lokal kalibriert.

In Bild 2 ist links das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Kraftsensors zur Messung in einer Dimension - man spricht von einer Kraftkomponente - skizziert. Wie im letzten Kapitel schon kurz angedeutet, verwenden piezoelektrische Sensoren Quarze, die bei Druckausübung Ladungsträger freisetzen. Ein Basissensorelement besteht dabei zunächst aus einem entsprechend geschliffenen Quarz mit zwei Elektrodenflächen vergleichbar einem Kondensator. Im Kraftsensor des Bildes sind Quarz und Elektroden als komplett umlaufende Bahn ausgeführt. Außerdem ist nicht ...

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss
• Abkürzungen aus der Messtechnik und Sensorik
• So geht es weiter
• Multiple Choice-Test und Fortbildungszertifikat
• Impressum