Zwei Löcher bohren und die Gewinde schneiden, die Oberfläche vorbereiten, den Dehnungsaufnehmer platzieren und beide Schrauben auf das vorgegebene Moment anziehen, dann den Nullpunkt setzen und schon kann die Dehnungsmessung losgehen.
Wenn es doch so einfach wäre! Natürlich funktioniert das beschriebene Vorgehen zur Kraftmessung mit Dehnungsaufnehmern: Die vorliegenden Dehnungen werden nach der Montage mittels Anschrauben gemessen. Ob die Messung an der ausgewählten Stelle allerdings sinnvoll ist, ist eine andere Frage. In manchen Anwendungen, wie an den Stützen eines Silos, ist die Auswahl der Messstelle natürlich einfach. Bei anderen Anwendungen, wie beispielsweise bei Prallbrechern, ist die Festlegung der Messstelle schon schwieriger.
Dehnungsaufnehmer: Eine kurze Einführung
Zusammenfassend zunächst eine kurze Begriffsklärung: Dehnungsaufnehmer werden auch als Dehnungssensoren bezeichnet und sind eine spezielle Ausprägung von Kraftsensoren. Dadurch, dass sie von außen an die Anwendung angeschraubt werden, sind sie einfach und schnell zu montieren, messen aber nicht im Kraftfluss, sondern indirekt. Dennoch lassen sich auch so hohe Genauigkeiten erreichen.
Dehnungsaufnehmer finden ihren Einsatz dann, wenn Verformungen durch äußere Kräfte an existenten, meist massiven Elementen festgestellt werden müssen. Wie bereits beschrieben, wird der Sensor am Bauteil befestigt und entsprechend justiert und schon beginnt die Messung. Per Kraftschluss wird die Dehnung dabei vom massiven Element auf den Dehnungsaufnehmer übertragen. Die Anwendungen dieser Sensoren sind vielfältig, zwei Beispiele werden im Folgenden näher vorgestellt.
Praxisbeispiel 1: Siloverwiegung mit Dehnungsaufnehmern
Ein Dehnungsaufnehmer am Fuß eines Tanks als Wägesystem
Silowägesysteme werden in der Regel eingesetzt, um die Materialmenge zu bestimmen, die in einen LKW geleert wird. Oft ist es ebenso wichtig, jederzeit zu wissen, wie viel Material in einem Silo gelagert wird. Werden solche Wägesysteme von Beginn der Auslegung des Silos an eingeplant, kann das Gewicht des Inhalts mit einer sehr hohen Genauigkeit bestimmt werden. Dafür bieten sich Scherstäbe und Biegestäbe in den Füßen des Silos an.
Was aber, wenn das Silo bzw. der Tank bereits steht und das Wäge- oder Füllstandssystem erst im Nachhinein installiert werden soll? Eine Aufrüstung um Biege- oder Scherstäbe zur Kraftmessung kann dann schnell sehr teuer oder gar unmöglich werden.
Mit dem Dehnungsaufnehmer können die Silos oder Tanks nachgerüstet werden. Die Messgeräte werden dafür einfach an die Stützen geschraubt, denn der Dehnungssensor wurde – wie geschildert – für Anwendungen entwickelt, bei denen die Verformung durch äußere Kräfte, die auf ein bestehendes Bauteil einwirken, gemessen werden will. Kennt man die Verformung der Säulen, kann man den Füllstand des Silos leicht abschätzen.
Praxisbeispiel 2: Einsatz von Dehnungsaufnehmern in Prallbrechern
Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Dehnungsaufnehmern sind Prallbrecher. Prallbrecher sind Maschinen, mit denen Material zerkleinert wird, zum Beispiel Steine. Diese werden durch die sogenannte Prallzerkleinerung zu immer kleineren Teilen zerbrochen. Dabei entstehen Spannungsspitzen, wodurch sich wiederum das Material des Behälters bzw. der Maschine verformt. Die so entstehenden Dehnungen können mit dem Dehnungsaufnehmer erfasst werden. Werden die Dehnungen zu groß, wenn sich beispielsweise ein Stein in der Spindel verhakt, kann das System automatisch abgeschaltet werden.
Auch hier muss der Prallbrecher nicht neu ausgelegt werden, der Dehnungssensor kann einfach an die richtige Stelle angeschraubt werden und detektiert in der Folge die auftretenden Spannungen. Meist wird die Stelle, an der der Dehnungsaufnehmer am besten angebracht wird, per FE-Betrachtung (sodass die Dehnung innerhalb der vorgegebenen Grenzen ist) festgelegt.
Bei der „Methode der finiten Elemente“ (FEM) werden Festkörper zur Festigkeits- und Verformungsuntersuchung in sehr viele kleine Teilgebiete (finite, also eine endliche Anzahl von Elementen, die nicht unendlich klein sind) aufgeteilt. Deren Verhalten lässt sich leichter berechnen als das des gesamten, komplexen Körpers. Grundlage für die Berechnungen ist die Lösung vieler Differentialgleichungen.
Fazit
Zusammenfassend kann man festhalten, dass es, wenn man von Beginn an damit plant, exaktere Methoden in der Messtechnik gibt als den Dehnungsaufnehmer, der lediglich indirekt und nicht im Kraftfluss misst. Besteht das System allerdings bereits, ist der Dehnungsaufnehmer eine kostengünstige Alternative, die ebenso zuverlässige Messwerte liefern kann. In die Anwendung selbst ist der Aufnehmer dann schnell integriert und ist sowohl für statische wie auch dynamische Aufgaben geeignet. Weiterhin verfügen die Aufnehmer über eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit und eine gute Langzeitstabilität. Das Ausgangssignal kann als 4-20 mA, 0-10 V, CAN oder CANopen geliefert werden.
Hinweis
Informationen zu unserem universellen, vielseitig einsetzbaren Dehnungsaufnehmer Typ F9302, sowie zu unseren Biegestäben und Scherstäben finden Sie auf der WIKA-Webseite.