Messbolzen sind ein bewährtes Konstruktionselement, welches seit mehr als 50 Jahren in der Messtechnik eingesetzt wird. In älteren Büchern wird es auch als Vibrometer bezeichnet.

Heutige Bezeichnungen lauten:

• Kraftmessbolzen
• Lastmessbolzen
• KMB
• Messachse
• Kraftmessachse

Im Englischen Sprachraum werden folgende Begriffe genutzt:

• Loadpin
• Load Pin (beide Schreibweisen sind gebräuchlich

Allgemeines

Messprinzipien

Es existieren grundsätzlich zwei wesenstliche Messverfahren bei Lastmessbolzen. Zum einen die Widerstandsbasierten (resistive), zum anderen die Magnetfeldbasierenden (Magnetoelastische) Messverfahren.

Bei den widerstandsbasierenden Messverfahren wird eine Weathstonsche Brücke aus:

• Dehnungsmessstreifen
• Dünnfilmbeschichtung aufgebracht

Bei Magnetfeldbasierenden Messverfahren wird eine Transformatorschaltung aufgebaut. Als Eisenkern dient dabei der Verformungskörper. Durch die Dehnung des Verformungskörpers ändern sich die magnetischen Eigenschaften des Materials und damit die Spannung an der Sekundärspule.

Kraftbereiche

In allen Datenblättern sind Nennlast, Gebrauchslast, Grenzlast und Bruchlast angegeben. Die Beschreibung dieser Angaben soll in diesem Ansatz erfolgen.

Nennkraft Fnom
Gibt die Kraft an, bis zu welcher die Nenngenauigkeit gilt. Das heißt: Wird der Kraftmessbolzen mit Kräften unterhalb der Nennkraft belastet, entsprechen die Messergebnisse der spezifizierten Genauigkeit.

Gebrauchskraft Fu
Gibt die Kraft an, bis zu welcher der Messbolzen dauerhaft belastet werden kann.

Grenzlast Fgr
Gibt die Kraft an, bis zu welcher der Messbolzen einmalig belastet werden darf ohne das Veränderungen im Kraftmessbolzen entstehen. (Bei erreichen der Grenzkraft tritt eine Verschiebung des Nullpunktes auf)

Bruchkraft Fbr
Bei überschreiten dieser Last besteht Bruchgefahr.

Allgemeine Bedienungsanleitung für Kraftmessbolzen

Kalkulation der Messbolzenkraft

Angezeigte Kraft bei schräger Krafteinleitung

Es kann vorkommen, dass die eingeleitete Kraft ihre Richtung ändert. Mit dieser Abbildung kann man berechnen, wie groß die resultierende Kraft in Abhängigkeit zum Winkel ist. Winkel zwischen Messrichtung des Messbolzens und angelegter Kraft:

Fr ... resultierende Kraft

Fa …angelegte Kraft
 
Fr = Fa * cos(α)

Resultierende Kraft bei Umschlingung

Messbolzen werden oftmals in Aufzugssystemen oder Kransystemen eingesetzt. Dazu werden die Kraftmessbolzen als Achse in eine Seilscheibe montiert. Wird der Bolzen dabei nicht mit 180° vom Seil umschlungen, ist die resultierende Kraft geringer als die Summe der

beiden Seilkräfte.

Fr ...   resultierende Kraft

Fa … angelegte Kraft

α ...  Winkel zwischen Messrichtung des Messbolzens und angelegter Kraft

Fr = 2*Fa*cos (β)

Hinweise für die korrekte Montage von Lastmessbolzen

Allgemeine Hinweise

• Bewahren Sie die Zertifikate der Lastmessbolzen bei ihren Unterlagen auf.
• Prüfen sie vor der Montage eines Messbolzens, ob der Messbereich den Erfordernissen der Anwendung entspricht.
• Notieren sie in ihren Unterlagen die Seriennummer des Messbolzens und auch seinen Einbauort.
• Niemals den Kraftmessbolzen am Kabel anheben oder handhaben.
• Das Kabel des Lastmessbolzens nicht überdehnen.
• Nach Einbau des Lastmessbolzens den Gebrauch von Schweißgeräten vermeiden, weil der Strom direkt durch die Zelle fließt oder Induktion die Zelle zerstören kann. Das Risiko kann durch Anschluss eines flexiblen Erdungskabels ( Kupfer, ca. 1cm) zwischen oberer Konstruktion und unterer Auflage der Zelle vermindert werden.

Es ist in jedem Fall besser, den Lastmessbolzen für die Dauer von Schweissarbeiten im näheren Bereich durch einen “Dummy” zu ersetzen.

Hinweise für die Kabelverlegung

• Bei Bedarf müssen die Anschlusskabel durch Schutzrohre geschützt werden.
• Die Kabel des Kraftmessbolzens müssen getrennt und in angemessener Entfernung von Hochspannungs- und Lastkabeln verlegt werden.

Umgebungsbedingungen

Temperatur

Der Lastmessbolzen ist normalerweise für Arbeitstemperaturen von -10 bis +40°C kalibriert, bei einer Grenztemperatur von -20 bis +70°C. Auf Wunsch können die Lastmessbolzen für einen anderen Temperaturbereich kalibriert werden.

Wenn die Sensoren bei Temperaturen unter 0°C benutzt werden, dürfen sie nicht mit Dampf oder heißen Flüssigkeiten gereinigt werden, weil das im Innern des Messbolzens eine Kondensation hervorruft.

Wasser, Dampf und IP-Schutzklasse

Die Kraftmessbolzen sind mit einem Standard-Schutz von IP 65 hergestellt (auf Wunsch können andere Schutzklassen geliefert werden).
Tragen Sie Sorge, dass die Lastmessbolzen nicht dort verwendet werden, wo eine höhere Schutzklasse erforderlich ist.

Wenn der Lastmessbolzen in einer Vertiefung montiert werden soll, müssen entweder ein Entwässerungsrohr, eine Lenzpumpe, oder andere Schutzeinrichtigungen verwendet werden.

Achten Sie darauf, dass der Lastmessbolzen nicht mit Wasser durchnässt wird.

Montage

Mechanische Montage

Den Lastmessbolzen beim Einbau immer vorsichtig behandeln. Also niemals einen Hammer benutzen, da der Kraftmessbolzen ein Präzisions-Messaufnehmer ist. Um die Genauigkeit sicherzustellen, sorgen Sie dafür, dass die einzige Kraft, die auf den Lastmessbolzen einwirkt, die zu messende Gewichtskraft ist.

Um die Genauigkeit sicherzustellen, sorgen sie dafür, dass die einzige Kraft, die auf den Lastmessbolzen einwirkt, die zu messende Gewichtskraft ist. Andere Kräfte, die aus der Umgebung einwirken können, wie Vibrationen, Schläge, Windkräfte und Temperaturen, können das Messergebnis verfälschen oder den Lastmessbolzen sogar zerstören.

Tragen Sie Sorge, dass auf den Lastmessbolzen nur Kräfte aus der zu messenden Richtung einwirken. Die Einwirkungsrichtung wird fast immer durch einen Pfeil auf dem Kraftmessbolzen angezeigt. Ohne Pfeil ist die Richtung senkrecht zur Nut des Achshalters vorgesehen. Wenn Sie nicht sicher sind, kontaktieren Sie den Lieferanten des Lastmessbolzens.

Montagevarianten

Für weitere Informationen auf das Bild klicken.

 

Fehlerursachen

Wegen seines robusten und einfachen Aufbaus benötigt der Messbolzen bei korrekter Montage keinerlei Wartung, seine Funktion ist über Jahre gewährleistet. Wegen der oben angeführten Probleme kann jedoch ein Fehler vorkommen.

Die am häufigsten vorkommenden Fehlerursachen sind:

• Überlastung oder andere mechanische Beanspruchungen oberhalb der Grenzwerte des Lastmessbolzens.
• Schweißarbeiten in der Nähe des Lastmessbolzens
• Überhitzung
• Feuchtigkeit im Lastmessbolzens auf Grund plötzlicher Temperaturschwankungen
• Chemische Einwirkungen
• Beschädigung der Anschlusskabel

Prüfung des Kraftmessbolzens am Einbauort (gilt nur für Ausführungen ohne Verstärker)

Die Werte, die bei einem korrekt arbeitenden Lastmessbolzen gemessen werden müssen, können dem Prüfprotokoll entnommen werden, die Angaben zur Farbkodierung der Anschlusskabel entnehmen Sie dem Datenblatt.

Der Test eines Lastmessbolzens kann wie folgt vorgenommen werden:
(Die angegebenen Werte gelten für einen Lastmessbolzen in Standardausführung)

Widerstandsmessung der Brücke des Lastmessbolzen bei abgeklemmtem Verstärker. Zwischen den Versorgungsdrähten muss der Widerstand (Eingangswiderstand)ca. 375 Ohm betragen.
Zwischen den Ausgangsdrähten der Brücke muss der Widerstand (Ausgangswiderstand) ca. 350 Ohm betragen.
Den Widerstand zwischen dem Körper und den Anschlussdrähten des Lastmessbolzens prüfen. Der mit einem Multimeter gemessene Wert muss höher als 3000 MOhm sein.

Mit dem an den Verstärker angeschlossenen Lastmessbolzen muss der mV-Ausgang der Brücke bei nicht belastetem Lastmessbolzen ca. 0 mV betragen. Wenn dieser Ausgang höher als 10% des maximalen Ausgangssignals ist, muss der Lastmessbolzen ausgetauscht werden.
Den Ausgang bei unterschiedlichen Belastungsstufen entsprechend dem Testzertifikat prüfen (siehe folgendes Beispiel).

Beispiel:Empfindlichkeit des Lastmessbolzens: 2 mV/V Brückenspeisung des Lastmessbolzens: 10 V

Messwert Brückenausgang ohne Belastung (0%) der Wägezelle: ca. 0 mV Messwert Brückenausgang mit Nennlast (100%): ca. 20 mV

Messwert Brückenausgang bei 0,5 Nennlast (50%): ca. 10 mV Bei anderen Belastungen errechnen sich die Werte entsprechend.

Um einen neuen Lastmessbolzen zu bestellen, immer den Typ und die Seriennummer des defekten Bolzens angeben.

Krafteinleitung

In jedem Datenblatt finden Sie auf der zweiten Seite die Beschreibung der Einbausituation (Mounting Situation). In dieser schematischen Darstellung wird beschrieben, wie der Messbolzen belastet werden soll. Der ausgelieferte Kraftmessbolzen wurde in genau dieser Konstellation kalibriert. Eine anderweitige Belastung kann die Kalibrierung ändern, oder sogar zur Beschädigung und Zerstörung des Messbolzens führen.

Outputpfeil

 

Der Outputpfeil gibt an, bei welcher Belastungsrichtung der Lastmessbolzen ein positives Signal ausgibt.

Richtungsumkehr des Ausgangssignals

Ausgangssignal	Möglichkeit zur Signalumkehr
passives Signal (mV/V)	+Us und -Us tauschen
Spannungsausgang (±10V)	Bei galvanisch getrennten Eingängen kann GNDa und Ua getauscht werden.
Stromsignal (4..20mA)	Keine Richtungsänderung möglich

Wenn die Krafteinwirkung von der vorgeschriebenen Richtung abweicht,

kommt es zu Verfälschungen der Messung bis hin zur Zerstörung des Kraftmessbolzens.

 

Befestigen von Kraftmessbolzen

Ein Kraftmessbolzen muss befestigt werden, um seine Ausrichtung zu fixieren. Folgendes muss fixiert werden:
Erstens die Axialverschiebung, zweitens die Rotation. Die Ordnungsgemäße Fixierung ist wichtig, um genaue
 Ergebnisse zu erhalten. Standardmäßig wird hierfür ein Achshalter nach DIN15058 verwendet.

Montage des Achshalters:
In den meisten Fällen sind die Achshalternuten nach DIN15058 ausgeführt. In dieser Norm wird empfohlen, bis zu einem Durchmesser von 100mm einen Achshalter und darüber hinaus zwei Achshalter je Kraftmessbolzen zu verwenden. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, wird ein kleiner Spalt zwischen Achshalter und Achshalternut vorgesehen. Dieses ermöglicht die freie Biegung des Lastmessbolzens im Gegenlager.
Der Spalt B sollte etwa 0,2mm betragen.

Testergebnisse zweiachsiger Messbolzen

Beim Versuch mit einem zweiachsigen Kraftmessbolzen (Durchmesser 40mm) wurde der Messbolzen mit 100kN belastet. Dabei wurde die Last unter unterschiedlichen Winkeln aufgebracht. Wie in der Tabelle zu sehen, ergeben sich hieraus die Kräfte in x- und y-Richtung. Es konnte die Kraftresultierende und der Winkel ermittelt werden.

Download der Testergebnisse als Tabellendokument: Download .xls

Elektronik

Es können Messbolzen mit integrierter Elektronik oder als passive Sensoren mit DMS Brücke geliefert werden. Der Abschnitt Elektrik ist ausschließlich für Messbolzen mit integrierter Elektronik bestimmt.

Die integrierte Elektronik, besitzt durch einen digitalen Filter, insbesondere bei niedrigen Frequenzen von 5-105 Hz ein stabiles, rauscharmes und nullpunktstabiles Ausgangssignal. Die Auflösung am Analogausgang beträgt 4096 Teile.

Konfiguration der Messbolzenelektronik

Der Kraftmessbolzen mit integriertem Messverstärker liefert entweder analoges Ausgangssignal von -10,0V bis+10,0V oder von 4-20mA. Die Anzeige im unbelasteten Zustand lässt sich mit der Nullsetzfunktion auf 0,0V oder 4mA oder auf andere, im Werk voreingestellte Werte, abgleichen.

Soll sowohl Druck- wie auch Zugbelastung angezeigt werden, so ist der Spannungsausgang ±10V zu empfehlen.

Nullsetzfunktion (Tara)

Durch Anlegen eines Steuerimpulses am „Tara“ -Eingang wird das Ausgangssignal auf 0,0V bzw. 4mA oder 5,0V bzw. 12mA (je nach Konfiguration) automatisch abgeglichen. Der Steuerimpuls muss mindestens 1s high und dann 100 ms low sein.

Bitte beachten: Beim Einschalten der Elektronik darf kein High-Signal am Tara Eingang anliegen; die Tara-Funktion ist erst 10 Sekunden nach einschalten bzw. anliegen des Versorgungsspannung verfügbar!

Skalierfunktion (Scale)

 

Der Messbolzen verfügt wahlweise über eine Skalierfunktion. Dieser Eingang ist Software seitig gesperrt. Mit einer Abfolge von High und Low kann man den Eingang verfügbar machen ohne zusätzliche Geräte (Kontaktieren Sie uns für genauere Informationen). Ist die Skalierfunktion freigeschaltet, wird durch einen High-Pegel am „Scale-Eingang“ das aktuell anliegende Messsignal auf 10,0V (bzw. 20mA) skaliert.

Vor dem Auslösen der Scale-Funktion muss die Nullsetzfunktion angewendet werden.

Vorgehensweise: Skalierfunktion freischalten, anschließend wird der Sensor mechanisch beansprucht mit 100% der Last. Durch Anlegen eines Steuerimpulses am „Scale“ -Eingang wird das Ausgangssignal auf 10,0V (bzw. 20mA) automatisch abgeglichen. Der Steuerimpuls muss mindestens 5s high und dann 100 ms low sein.

Bitte beachten: Beim Einschalten darf kein High-Signal am Scale Eingang anliegen!

Konfigurieren der Scale Funktion (Einrichtmodus 1)

Das Skalieren des Endwerts kann auch mit weniger als 100% der Maximallast erfolgen.

Der Anteil der Kalibrierlast an der Maximallast kann im Einrichtmodus 1 in 5% -Schritten eingestellt werden.

Vorgehensweise:

1. Betriebsspannung ausschalten;

2. Scale-Eingang (grau) an die Betriebsspannung (high -Potential) anlegen;

3. Betriebsspannung einschalten;

4. Scale Eingang von der Betriebsspannung (high -Potential) trennen; (Nun ist der Einrichtmodus 1 aktiv)

5. Durch das erneute Anlegen des high-Potentials an den Scale Eingang (für 2s) wird die Schwelle um 5% angehoben.

   Durch das Anlegen des high-Potentials an den Tara-Eingang (für 2s) wird die Schwelle um 5% gesenkt.

   Das Ausgangssignal zeigt jetzt die Spannung an, welche nach dem Auslösen der Scale-Funktion angezeigt wird.

   Beispiel: Wenn (im Einrichtmodus 1) am Ausgang eine Spannung von 1,0 V anliegt, dann soll mit 10% der Maximallast kalibriert werden.

   Wenn (im Einrichtmodus 1) am Ausgang eine Spannung von 9,0 V anliegt, dann soll mit 90% der Maximallast kalibriert werden.

6. Betriebsspannung ausschalten;

7. Betriebsspannung einschalten. Der Messverstärker befindet sich nun wieder im normalen Betriebsmodus.

Schwellwert (open collector)

Der Schwellwertschalter reagiert beim Überschreiten des Schwellwertes. Der im Auslieferzustand eingestellte Schwellwert beträgt 90% des Messbereichs. Über 90% des Messbereichs wird der Schwellwertausgang auf Masse geschaltet. Sinkt die Dehnung unter 88%, so schaltet der Ausgang auf hochohmig.

Konfigurieren der Schwellwert-Funktion (Einrichtmodus 2)

Die Schwelle des Schwellwertschalters kann in 5% Schritten eingestellt werden.

Vorgehensweise:

1. Betriebsspannung ausschalten;

2. Tara-Eingang an die Betriebsspannung (high -Potential) anlegen;

3. Betriebsspannung einschalten;

4. Tara-Eingang von der Betriebsspannung (high -Potential) trennen. (Nun ist der Einrichtmodus 2 aktiv).

5. Durch das erneute Anlegen des high-Potentials an den Scale Eingang wird die Schwelle um 5% angehoben. Durch das Anlegen des high-Potentials an den Tara-Eingang wird die Schwelle um 5% gesenkt. Das Ausgangssignal zeigt im Einrichtmodus 2 die Spannung an, bei welcher der Schwellwert auslösen wird.

   Beispiel: Wenn am Ausgang eine Spannung von 1,0V angezeigt wird, dann wird der Schwellwertgeber bei 10% der Maximallast ausgelöst und bei 8% wieder zurückgesetzt..

   Wenn am Ausgang eine Spannung von 9V angezeigt wird, dann wird der Schwellwertgeber bei 90% der Maximallast ausgelöst.

6. Betriebsspannung ausschalten;

7. Betriebsspannung einschalten. Der Messverstärker befindet sich nun wieder im normalen Betriebsmodus.

Sicherheitshinweis

Bei Montage, Inbetriebnahme und Betrieb des Lastmessbolzens sind die gültigen Sicherheitsvorschriften zu beachten. Mit dem Lastmessbolzen darf nur Personal mit entsprechender Qualifikation arbeiten. Eine Nichtbeachtung der Sicherheitsvorschriften kann zu schweren Verletzungen und/oder zu Sachschäden führen. Vor Inbetriebnahme überprüfen, ob der Lastmessbolzen für den Anwendungsfall geeignet ist. Die Angaben dieser Anleitung und des Testzertifikats müssen beachtet werden.

Verwendete Kabel

	Kabeldurchmesser	Biegeradius	Temperaturbereich
STC31V	2mm
24-4	4mm
4x0,14 PUR	5mm
2x2x0,25 PUR	6mm
3x2x0,25 PUR	6,5mm
SAC 4P/5P/8P	5,9mm	59mm	-40°C .. +80°C feste Verlegung

CAN-Bus

Es gibt Messbolzen mit integriertem CAN-Bus sowie externe Messverstärker, die mit dem Kraftmessbolzen verbunden werden.

Software zur Steuerung des Messverstärkers:



USB-CAN-Adapter

Explosionsschutz Atex

Kundenseitig werden die Einsatzbereiche in drei Zonen eingeteilt.

Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten den Explosionsschutz umzusetzen.

• Ex-Schutz mittels Zener Barrieren
  
  
• Ex-Schutz durch Kapselung
• Ex-Schutz durch Zulassung einer im Sensor integrierten Elektronik.

Youtube Videos

Zum Tara-Funktion Video
Zum Scale-Funktion Video

 

Literaturhinweise für wissenschaftliche Arbeiten

1.    Das Ingenieurwissen: Messtechnik (Tränkler, H. R., & Fischerauer, G. (2014). Springer-Verlag.)

2.    Direkt wirkende anzeigende elektrische Meßgeräte und ihr Zubehör DIN EN 60051

3.    Einführung in die elektrische Messtechnik (Mühl, T. (2006). Vieweg+ Teubner.)

4.    Genauigkeitsbetrachtung DIN1319
        (es stimmt nicht das die Genauigkeit als Summe aller Einzelfehler zu sehen ist) 

5.    Kreuzer M.  (Messung mit Dehnungsmessstreifen ohne schaltungstechnischen Nullabgleich) VDI-Berichte Nr. 509  Jahr:1984 S. 159-152

6.    Messelektronik und Sensoren (Bernstein, H. (2013))

7.    Messtechnik: Systemtheorie für Ingenieure und Informatiker (León, F. P., & Kiencke, U. (2012).  Springer-Verlag.)

8.    Paetow J. (Die interner Schaltung der Dehnungsmessstreifenaufnehmer) eine anwendungsbezogene Betrachtung VDI-Berichte Nr. 509  Jahr:1984 S. 155-158

9.    Sensortechnik E. Obermeier (isbn 3-540-58640-7) sehr gutes Buch zur Erklärung der Fehler und zur Datenblattauffüllung)

10.    Szabo (techn. Mechanik)

11.    Sensortechnik E. Obermeier (isbn 3-540-58640-7) sehr gutes Buch zur Erklärung der Fehler und zur Datenblattauffüllung)

12.    VDI/VDE-Richtlinie 2637 und 2638 (Abildung der PTB – DKD – Werkszertifikat – Pyramide)

13. Keil, S. (2006). Historische Rückschau auf Entstehung und Entwicklung des Dehnungsmessstreifens. Cuneus-Verlag.