Test & Measurement Kraft und Dehnung Messausrüstung für anspruchsvolle T&M-Anwendungen
Über Kistler Innovationskultur mit Geschichte Bei der Gründung der Kistler Instrumente AG im Jahr 1959 standen Neugierde und Begeisterung für Technologie Pate. Mit der bahnbrechenden Erfindung des Ladungsverstärkers und der Serienproduktion der ersten Quarz-Drucksensoren verhalfen Walter P. Kistler und Hans Conrad Sonderegger der piezoelektrischen Messtechnik weltweit zum Durchbruch. Der Siegeszug der piezoelektrischen Technologie und der Aufstieg des Familienunternehmens mit Wurzeln in der Schweiz und in den USA sind untrennbar miteinander verbunden. Die Leidenschaft der beiden Kistler Pioniere hat die DNA des Unternehmens bis heute geprägt. Eine einzigartige Innovationskultur schafft Raum für Ideen und ist wesentliche Grundlage für echte Erfolge. Eine eigene Kristallzüchtung nach geheimer Rezeptur sorgt für Kristalle, die mit ihrer höheren Empfindlichkeit und Temperaturstabilität auch in anspruchsvollen Anwendungen zuverlässige Resultate liefern. Heute ist Kistler längst nicht mehr nur Synonym für die dynamische Messtechnik, sondern hat sich auch mit piezoresistiver, optischer und DMS-Messtechnologie einen Namen gemacht. So kommt immer genau die Technologie zum Einsatz, die dem Kunden den grössten Nutzen bringt. Nebst Produkten für allgemeine Messungen bietet Kistler komplette Lösungen für spezifische Anwendungen an, z.b. für die Motorenentwicklung, Kunststoffverarbeitung oder Montagetechnik. Kistler ist ein Messtechnik-Pionier geblieben. Die Physiker und Ingenieure von Kistler teilen auch heute noch eine persönliche Leidenschaft für Technologie. Langjährige Kundenbeziehungen sind ein Leistungsausweis, auf den man bei Kistler stolz ist zu Recht. Zahlen und Fakten zu Kistler: /facts 2
Inhalt Test & Measurement... 4 In fünf Schritten zur eigenen Messkette... 5 Kraftmesstechnik im Fokus... 7 Auswahlkriterien für piezoelektrische Kraftsensoren... 12 Auswahlkriterien für piezoelektrische Dehnungssensoren... 13 1-Komponenten-Sensoren... 15 Messketten... 20 Produktübersicht... 22 Produktdetails... 24 Kabel... 40 Kabelübersicht... 42 2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren... 45 Messketten... 50 Produktübersicht... 52 Produktdetails... 54 Kabel... 59 Kabelübersicht... 62 Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze (3-Komponenten)... 65 Messketten... 68 Produktübersicht... 70 Produktdetails... 72 Kabel... 74 Kabelübersicht... 76 Dehnungssensoren... 79 Messketten... 82 Produktdetails... 84 Kabel... 86 Kabelübersicht... 88 Kundenspezifische Sensoren... 91 Ladungsverstärker... 93 Produktübersicht... 100 Produktdetails... 102 Zubehör... 104 Zubehör Kabel... 106 Zubehör Elektronik... 107 Service... 109 Kalibrierung... 110 Kalibrierservice von Kistler... 111 Beratung... 112 Informationsübersicht... 113 Glossar... 114 3
Test & Measurement Messausrüstung für anspruchsvolle T&M-Anwendungen Vertrauen Sie auf die langjährige Erfahrung von Kistler mit Druck-, Beschleunigungs-, Kraft-, Dehnungs- oder Drehmomentsensoren und entsprechenden Signalaufbereitungslösungen für den T&M-Markt. Kistler bietet Ingenieuren, Forschern, Messtechnikern und Studierenden aus diversen Branchen zuverlässige und qualitativ hochstehende Sensoren an. Kistler ist Weltmarktführer und grösster Anbieter von piezoelektrischer Messtechnik. Doch auch die hochwertigen piezoresistiven, kapazitiven und DMS-Sensoren von Kistler kommen bei anspruchsvollen Anwendungen in Mess-, Test-, Forschungs- und Entwicklungslabors weltweit zum Einsatz. Entdecken Sie auf den nächsten Seiten das vielseitige Kistler Angebot rund um Test & Measurement für die Kraft- und Dehnungsmessung. Dieser Katalog unterstützt Sie dabei, die geeignete Kraft- bzw. Dehnungsmesskette für Ihre Anwendung auszuwählen. Detaillierte Informationen zu den einzelnen Produkten finden Sie in den Datenblättern, die Sie von unserer Website herunterladen können. Unser T&M-Sales-Team mit lokalen Ansprechpartnern freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme. Branchenübersicht Luft- und Raumfahrttechnik Transport- und Verkehrswesen Automobiltechnik Schiffsbau und maritime Industrie Energie- und Umwelttechnik Öl und Gas Chemische Industrie Pharmaindustrie Halbleiter- und Elektronikindustrie Papier- und Zellstoffindustrie Nahrungs- und Getränkeindustrie Bauwesen und Bergbau Medizintechnik Maschinenbau Universitäre Forschung 4
In fünf Schritten zur eigenen Messkette Dieser Katalog ist so aufgebaut, dass er die komplette Messkette vom Sensor bis zum Ladungsverstärker abbildet. Nutzen Sie die folgende Übersicht, um in fünf Schritten eine für Ihre Applikation geeignete piezoelektrische Kraft- oder Dehnungsmesskette zusammenzustellen. Am schnellsten kommen Sie ans Ziel, wenn Sie mit der Einführung in die piezoelektrische Kraftmesstechnik beginnen. Wählen Sie dann anhand der Auswahlkriterien für Kraft- oder Dehnungssensoren die für Ihre Applikation geeignete Sensorkategorie aus und arbeiten Sie sich innerhalb der gewählten Kategorie über den Sensor und das Kabel bis zum Ladungsverstärker vor. Schritt 1 Einführung Piezoelektrische Kraftmesstechnik > S. 7 Schritt 2 Auswahlkriterien Kraftsensoren > S. 12 Dehnungssensoren > S. 13 Schritt 3 Sensor Schritt 4 Kabel 1-Komponenten Sensoren > S. 15 Kabel > S. 40 2-Komponenten Sensoren > S. 45 Kabel > S. 59 3-Komponenten Sensoren > S. 45 Kabel > S. 59 Dynamometer (3-Komponenten) Sensoren > S. 65 Kabel > S. 74 Dehnung Sensoren > S. 79 Kabel > S. 86 Kundenspezifische Sensoren > S. 91 Schritt 5 Ladungsverstärker Ladungsverstärker > S. 93 5
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Kraftmesstechnik Kraftmesstechnik im Fokus 7
Kraftmesstechnik im Fokus In der Kraftmesstechnik kommen verschiedene Messprinzipien zum Einsatz. In der Praxis durchgesetzt haben sich jedoch zwei Prinzipien: piezoelektrische Sensoren und Kraftsensoren basierend auf Dehnungsmessstreifen (DMS). Dieser Katalog umfasst ausschliesslich piezoelektrische Kraftsensoren für T&M-Anwendungen und nennt die wichtigsten Vorteile. Bei den piezoelektrischen Kraftsensoren basiert das Messelement auf einem Kristall, der unter Belastung eine zur Kraft proportionale elektrische Ladung abgibt. Das Messelement bei der DMS- Technologie besteht aus einem Dehnungsmessstreifen, der unter Krafteinwirkung minimal gedehnt wird und deshalb den elektrischen Widerstand ändert. elektrische Ladung (Q) Die elektrische Ladung (Q) ist proportional zur Kraft (F) Kraft (F) Grundlagen der piezoelektrischen Messtechnik Der piezoelektrische Effekt Der piezoelektrische Effekt äussert sich, indem piezoelektrische Materialien (z.b. Quarz) bei mechanischer Belastung auf den Aussenflächen positive bzw. negative elektrische Ladungen erzeugen. Die Ladung wird dadurch generiert, dass sich die positiven und negativen Kristallgitterbausteine gegeneinander verschieben, wodurch ein elektrischer Dipol entsteht. Die Ladung, welche dabei generiert wird, ist proportional zur Kraft, die auf den Kristall einwirkt. Kristallscheiben als Messelement Die meisten piezoelektrischen Kraftsensoren arbeiten mit einem Messelement, das aus dünnen Kristallscheiben besteht. Je nachdem, ob der Sensor Druck- oder Schubkräfte messen soll, werden die Scheiben mittels unterschiedlicher Schnitte aus dem Kristall geschnitten. Mit dem Longitudinalschnitt entstehen Kristallscheiben, welche für Sensoren zur Erfassung von Druckkräften eingesetzt werden, wohingegen mit dem Schubschnitt Messelemente zur Messung von Schubkräften gewonnen werden. unbelasteter Kristall belasteter Kristall Kristallscheiben als Messelement Longitudinalschnitt Die mechanische Belastung eines Kristalls erzeugt eine elektrische Ladung Schubschnitt Mögliche Schnitte im Kristall 8
Kraftmesstechnik Piezoelektrische Kristalle PiezoStar versus Quarz Die elektrische Ladung, die eine einzelne Kristallscheibe generiert, ist nur vom piezoelektrischen Material abhängig, nicht jedoch von dessen geometrischen Abmessungen. Um Sensoren mit einer höheren Empfindlichkeit herzustellen, können mehrere Kristallscheiben aufeinander gestapelt und elektrisch parallel geschaltet werden. Alternativ kann ein piezoelektrisches Material mit höherer Empfindlichkeit eingesetzt werden (z.b. PiezoStar Kristalle). Kistler züchtet eigene PiezoStar Kristalle, welche sich gegenüber Quarz durch höhere Empfindlichkeiten und bessere Temperaturstabilitäten auszeichnen. PiezoStar Kristalle werden typischerweise in Sensoren zur Messung kleinster Kräfte verbaut und erweitern somit den Einsatzbereich von gängigen Kraftsensoren basierend auf Quarz. Kistler bietet sowohl piezoelektrische Kraftsensoren auf Basis von Quarz wie auch von PiezoStar an. Kristallscheibe Möglichkeit zur Erhöhung der Ladungsausbeute PiezoStar Kristalle Piezoelektrische Messkette Eine piezoelektrische Messkette besteht aus dem Sensor, einem hochisolierenden Verbindungskabel zum Transport der kleinen Ladungen und einem Ladungsverstärker zur Wandlung des Ladungs- in ein Spannungssignal. 9
Piezoelektrische oder DMS-Kraftsensoren? In der Kraftmesstechnik haben sich piezoelektrische und DMS- Sensoren durchgesetzt. Beide Technologien ergänzen sich, und je nach Anwendung ist der Einsatz eines piezoelektrischen oder eines DMS-Kraftsensors zu bevorzugen. Folgende Abschnitte zeigen die wichtigsten Unterschiede beider Technologien auf und sollen Ihnen die Entscheidungsfindung vereinfachen. Statische Kraftmessung Piezoelektrische Kraftsensoren weisen bei statischer Belastung prinzipbedingt eine kleine Drift auf. DMS-basierte Sensoren hingegen arbeiten weitestgehend driftfrei. Folgende Grafik soll Ihnen als Entscheidungshilfe dienen und aufzeigen, ob für Ihre statische Messung ein piezoelektrischer Kraftsensor eingesetzt werden kann oder nur der Einsatz eines DMS-Sensors Sinn macht. Die Grafik zeigt sehr deutlich, dass bei genügend grossen Kräften auch mit piezoelektrischen Kraftsensoren lange Messzeiten kein Problem sind. Für langfristige Monitoring-Aufgaben sind DMS-Kraftsensoren jedoch klar vorzuziehen. Messzeit (s) Kraft (F) 100 000 10 000 1 000 DMS 100 10 PE PE DMS 1 1 10 100 1 000 10 000 100 000 Kraft (N) Messzeit und Kraftbereich: piezoelektrisch (PE) versus DMS (Basis: Drift ±0.05 pc/s und Messfehler von 1%) Statische Kraftmessung: piezoelektrisch (PE) versus DMS Messzeit (t) Da bei piezoelektrischen Kraftsensoren der Driftwert bei statischer Belastung unabhängig von der gemessenen Kraft immer gleich bleibt, ist der relative Messfehler, der durch die Drift verursacht wird, immer dann besonders ungünstig, wenn kleine Kräfte über einen langen Zeitraum gemessen werden sollen. Die Messung von grossen statischen Kräften über eine längere Messzeit ist jedoch kein Problem. Bei piezoelektrischen Kraftsensoren hängt die Messzeit somit von den Anforderungen an die Genauigkeit und der zu messenden Kraft ab. Dynamische Kraftmessung Für dynamische Anwendungen sind piezoelektrische Kraftsensoren klar vorzuziehen, da sie bei Belastung wegen ihrer Steifheit eine sehr geringe Verformung aufweisen. Hieraus ergibt sich eine hohe Resonanzfrequenz, die grundsätzlich sehr günstig ist für dynamische Anwendungen. 10
Kraftmesstechnik Übersicht piezoelektrische und DMS-Kraftsensoren Neben dem wichtigsten Kriterium, ob eine statische oder dynamische Kraft zu messen ist, gibt es noch weitere Aspekte, welche bei der Wahl des Messprinzips zu beachten sind. Die folgende Übersichtstabelle zeigt verschiedene Kriterien, bei denen eine Messtechnologie der anderen vorzuziehen ist, und dient so als weitere Entscheidungshilfe. Sollten Sie sich nicht sicher sein, ob sich die piezoelektrische Messtechnik für Ihre Anwendung eignet, nehmen wir uns gerne Zeit für eine neutrale und unverbindliche Beratung. Unser T&M Sales-Team freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme. Kriterium Dauerhaft statische Messung* Piezoelektrische Technologie DMS- Technologie Dynamische Messung* (hohe Steifigkeit) Grosser Messbereich Messung kleinster Kraftänderungen unter hoher statischer Vorlast Kompakte Sensorabmessungen bei Mehrkomponenten-Kraftsensoren Lebensdauer bei zyklischer Belastung Überlastfestigkeit Eignung für hohe Temperaturen Geringer Temperatureinfluss Kabel-Handling (Verschmutzung, Low noise) Linearität Repetierbarkeit Kalibrierintervall * siehe Diagramm S. 10 11
Auswahlkriterien für piezoelektrische Kraftsensoren Kistler bietet für diverse T&M-Anwendungen unterschiedliche Ausführungen von piezoelektrischen Kraftsensoren an. Diese unterscheiden sich vor allem in der Anzahl der Kraftkomponenten und Momente, welche mit einem einzelnen Sensor erfasst werden können. Die folgende Übersicht beschreibt die unterschiedlichen Kategorien von Kraftsensoren. Die Erläuterungen dienen als Entscheidungshilfe, um für die spezifische Applikation die geeignete Kategorie von Kraftsensoren zu wählen. 1-Komponenten-Sensoren F z F y 1-Komponenten-Sensoren messen eine einzelne Kraftkomponente. Innerhalb der Kategorie der 1-Komponenten-Sensoren gibt es die folgenden Ausführungen: Kraftsensoren für Druck- und Zugkräfte (±F z) Kraftsensoren für Schubkräfte (±F y) Weitere Informationen zu den 1-Komponenten-Sensoren finden Sie ab Seite 15 2-Komponenten-Sensoren Mz Fz 2-Komponenten-Sensoren messen Druck- und Zugkräfte (±F z) sowie gleichzeitig die korrespondierenden positiven und negativen Reaktionsmomente (±M z). Weitere Informationen zu den 2-Komponenten-Sensoren finden Sie ab Seite 45 3-Komponenten-Sensoren Fz Fx Fy 3-Komponenten-Sensoren messen alle drei orthogonalen Kraftkomponenten F x, F y und F z gleichzeitig. Dabei werden sowohl Druck- und Zugkräfte (±F z) als auch positive und negative Schubkräfte in beide Schubrichtungen (±F x und ±F y) durch die Sensoren erfasst. Weitere Informationen zu den 3-Komponenten-Sensoren finden Sie ab Seite 45 Dynamometer (3-Komponenten) Mz Fz Mx Fx My Fy Dynamometer basieren grundsätzlich auf vier 3-Komponenten-Sensoren, welche zwischen einer Grund- und Deckplatte montiert sind. Mit einem Dynamometer können somit die drei orthogonalen Kraftkomponenten F x, F y und F z gleichzeitig erfasst werden. Basierend auf den drei Kraftkomponenten, welche die einzelnen 3-Komponenten-Sensoren erfassen, und der bekannten geometrischen Anordnung der vier Sensoren lassen sich die drei korrespondierenden Momente M x, M y und M z berechnen. Weitere Informationen zu den Dynamometern finden Sie ab Seite 65 12
Auswahlkriterien für piezoelektrische Dehnungssensoren Neben den Kraftsensoren umfasst das Portfolio von Kistler auch piezoelektrische Dehnungssensoren, die sich für die indirekte Kraftmessung in T&M-Anwendungen eignen. Jede Kraft führt zu einer Deformation der Struktur. Piezoelektrische Dehnungssensoren können diese Deformation messen. Da die Deformation proportional zur Kraft ist, kann anhand der Deformation die Kraft ermittelt werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt Vorteile und Einschränkungen der indirekten Kraftmessung mittels Dehnungssensor im Vergleich zur direkten Kraftmessung mittels Kraftsensor. ε Oberflächen-Dehnungssensor Auswahl Kraft/Dehnung Indirekte Kraftmessung Direkte Kraftmessung Dehnung ɛ Kraft F ~ Dehnung ɛ Kraft F Dehnungssensor Kraftsensor + Geringster Montageaufwand + Einfache Nachrüstung an der bestehenden Applikation möglich + Überlastsicherheit + Da Struktur die gesamte Kraft aufnimmt, können sehr grosse Kräfte gemessen werden + Hohe Empfindlichkeit + Hohe Messgenauigkeit + Hohe Wiederholgenauigkeit + Gute Linearität und geringe Hysterese Umgebungseinflüsse: Dehnungen aufgrund von Vibrationskräften und Temperatureinflüssen werden mitgemessen Für absolute Werte ist Kalibrierung mittels Kraftsensor in der Applikation zwingend notwendig Aufwändiger Einbau Kraftbereich für sehr grosse Kräfte ist limitiert Weitere Informationen zu den Dehnungssensoren finden Sie ab Seite 79 13
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1-Komponenten 1-Komponenten-Sensoren 15
1-Komponenten-Sensoren Bei der Kraftmessung mit piezoelektrischen 1-Komponenten- Sensoren ist der Einbau in die Struktur entscheidend. Kistler bietet für jede Anforderung den passenden Sensor. Je nach Einbau in die Struktur sind bei Kistler die folgenden zwei Ausführungen erhältlich: 1-Komponenten-Kraftsensoren 1-Komponenten-Kraftmesselemente Je nach Anwendung eignet sich die eine oder andere Kategorie besser. Die folgende Tabelle zeigt mögliche Vorteile und Einschränkungen auf: 1-Komponenten-Kraftsensoren 1-Komponenten-Kraftmesselemente + Geringe Bauhöhe, dadurch ideal für enge Einbauverhältnisse und grössere Biegemomente + Preiswerte Option für Kunden mit Erfahrung in der Integration von Kraftsensoren Aufwändiger Einbau unter Vorspannung mittels Vorspannschraube oder Vorspannelement notwendig Für genaue Messungen ist eine Nachkalibrierung nach dem Einbau notwendig + Einfacher Einbau, da bereits vorgespannt + Keine aufwändige Nachkalibrierung nach dem Einbau notwendig, dadurch sofort messbereit + Geeignet für Kunden mit wenig Erfahrung in der Integration von Kraftsensoren + Ausführungen mit hoher Empfindlichkeit für die Erfassung kleinster Kräfte Grosse Bauhöhe Detaillierte Erläuterungen zu den zwei Ausführungen sind in den folgenden Abschnitten aufgeführt. 16
1-Komponenten-Kraftsensoren Die 1-Komponenten-Kraftsensoren bestehen im Wesentlichen aus zwei Kristallscheiben, welche unter leichter Vorspannung in ein dicht verschweisstes Gehäuse integriert sind. Querschnitt eines 1-Komponenten-Kraftsensors Die nachfolgenden Darstellungen zeigen beispielhaft den Einbau eines 1-Komponenten-Kraftsensors mittels Vorspannschraube bzw. Vorspannelement in die Struktur. Zudem wird aufgezeigt, welche Variante je nach Anwendung zu bevorzugen ist, wenn beide Montagemöglichkeiten zur Verfügung stehen: Zentrierklammer Vorspannschraube 1-Komponenten Durch ihre kompakte Bauform eignen sich die 1-Komponenten- Kraftsensoren hervorragend für Applikationen mit engen Einbauverhältnissen. Die Sensoren sind in zwei Ausführungen erhältlich: entweder zur Erfassung von Druckkräften (+F z) abhängig von der Einbauvariante und der Vorspannung können auch Zugkräfte ( F z) gemessen werden oder zur Messung von positiven und negativen Schubkräften (±F y). Einbau unter Vorspannung Beim Einbau in die Applikation müssen 1-Komponenten-Kraftsensoren aus folgenden Gründen immer mechanisch vorgespannt werden: Biegemomente und Seitenkräfte werden aufgenommen, aber nicht gemessen Mikrospalten werden geschlossen, was eine hohe Steifigkeit und damit einen weiten Frequenzbereich sichert Genügend grosse Haftreibung für die Übertragung der Schubkräfte von der Struktur auf den Kraftsensor für Schubkräfte Die Vorspannung des Sensors in der Applikation wird mittels einer Vorspannschraube oder einem Vorspannelement realisiert. Die zwei Varianten funktionieren vom Prinzip her beide gleich und unterscheiden sich lediglich in der Art der mechanischen Ausführung. Je nach Sensortyp stehen eine oder sogar beide Varianten zur Verfügung. Sensor Einbau mit Vorspannschraube Geeignet für Druckkräfte kleine Zugkräfte Sensor Zentrierhülse Vorspannbolzen Isolierscheiben (optional erhältlich) Sechskantmutter Isolierscheiben Einbau mit Vorspannelement Geeignet für Druckkräfte mittlere bis grosse Zugkräfte 17
Nutzbarer Messbereich Durch das Vorspannen wird der nutzbare Messbereich des Sensors eingeschränkt. Der eigentlich resultierende Messbereich entspricht also dem auf dem Datenblatt angegebenen Messbereich abzüglich der Vorspannung, welche je nach Anwendung und Einbauvariante 20% bis 70% des Total-Messbereichs beträgt. 1-Komponenten-Kraftmesselemente Die 1-Komponenten-Kraftmesselemente bestehen aus einem 1-Komponenten-Kraftsensor, der zwischen zwei Spezialmuttern grundisoliert vorgespannt ist. 100 % 70 % 20 % 0 % Messbereich gem. Datenblatt Eigentlicher Messbereich Vorspannung Einbau mit Vorspannschraube Eigentlicher Messbereich Vorspannung Einbau mit Vorspannelement Sensor Spezialmutter 1-Komponenten-Kraftmesselement, bestehend aus 1-Komponenten-Kraftsensor, vorgespannt zwischen zwei Spezialmuttern Einschränkung des Messbereichs durch Vorspannung Einfluss der Vorspannung auf die Empfindlichkeit Die Vorspannung des Sensors mit einer Vorspannschraube oder einem Vorspannelement führt zu einem Kraftnebenschluss. Ein Teil der Kraft, welche von der Applikation auf den vorgespannten Sensor einwirkt (typischerweise 7 % bis 10 %, abhängig von der Vorspannung), wird durch die Vorspannschraube oder den Vorspannbolzen geleitet. Dies resultiert in einer geringeren Empfindlichkeit des Sensors im eingebauten Zustand. Für genaue Messungen empfiehlt es sich deshalb, den vorgespannten Sensor in der Applikation zu kalibrieren. Im Gegensatz zum 1-Komponenten-Kraftsensor vereinfacht sich durch diesen Aufbau die Installation in der Applikation wesentlich, da die Messelemente bereits vorgespannt sowie kalibriert und dadurch sofort messbereit sind. Mit 1-Komponenten- Kraftmesselementen können Druckkräfte (+F z) erfasst werden, wobei gewisse Messelemente für die Messung von Druck- und Zugkräften (±F z) ausgelegt sind. Für die Messung von extrem kleinen Kräften sind spezielle 1-Komponenten-Kraftmesselemente für Kleinkräfte vorgesehen. Bedingt durch ihren inneren Aufbau weisen diese Messelemente eine wesentlich höhere Empfindlichkeit auf, wodurch selbst kleinste Kräfte zuverlässig gemessen werden können. F 1-Komponenten-Kraftmesselement für Kleinkräfte Kraftnebenschluss beim vorgespannten 1-Komponenten-Kraftsensor 18
19 1-Komponenten
1-Komponenten-Sensoren Messketten Messen Verbinden Verstärken 1-Komponenten-Kraftsensoren 90x1A 90x1B 910xA 913xB2... 914xB2 913xBA 914xBA 1631C 1641B 1939A 1983AD etc. Kabel im Sensor integriert > Anschluss an Ladungsverstärker mit Kupplung 1721 1971A1 1973Ax1 Ladungsverstärker ohne integrierte Datenerfassung 5015A 5018A... 1-Komponenten-Kraftmesselemente 9203 9205 9207 9215A 1) 9217A 93x1B 9313AA 93x3A 917xB 1631C 1641B 1939A 1983AD 1651C 1) etc. Kabel im Sensor integriert > Anschluss an Ladungsverstärker mit Kabel 1631C 1641B etc. Ladungsverstärker mit integrierter Datenerfassung 5165A 5171A 2) Details ab Seite 22 Details ab Seite 40 Details ab Seite 93 1) 2) Sensor 9215A kann ausschliesslich mit Kabel 1651C verwendet werden Bedingt eine CompactRIO TM -Plattform von National Instruments > Umsetzung der Datenerfassung kundenseitig in LabVIEW TM 20
Erfassen Analysieren Kabel für Verbindung zum Datenerfassungsgerät Datenerfassungsgerät (kundenseitig) Kabel für Verbindung zum Laptop Laptop (kundenseitig) 1-Komponenten Ethernetkabel Laptop (kundenseitig) mit LabAmp GUI (Graphical User Interface) 21
1-Komponenten-Sensoren Produktübersicht Familie Messrichtung Messbereich [kn] Druckkraft (+Fz) Druck- & Zugkraft (±Fz) Schubkraft (±Fy) 1-Komponenten-Kraftsensoren 1000 100 10 1 0,1 0 0,1 90x1A 0 910xA 0 90x1B 913xB 913xBA 914xB 0 0 0 8 914xBA 8 93x1B 120 1-Komponenten-Kraftmesselemente 9313AA 93x3A 917xB 20 0 0 92 0,5 22
Betriebstemperaturbereich [ C] Zusatzinformationen min. max. 1 10 100 1000 Seite 400 700 196 200 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung geeignet für grossen Temperaturbereich 40 120 preiswerte Sensoren verglichen mit Familie 90x1A grösserer Messbereich 24 26 1-Komponenten 1200 40 200 geeignet für extrem grosse Kräfte 25 80 80 20 120 geringe Bauhöhe, dadurch ideal geeignet für enge Einbauverhältnisse Vorspannung mit handelsüblicher Schraube möglich für industrielle Anwendungen geeignet 20 120 Bausätze bestehend aus 2, 3 oder 4 Sensoren siehe Familie 913xB... 28 28 8 8 20 120 geringe Bauhöhe, dadurch ideal geeignet für enge Einbauverhältnisse Vorspannung mit handelsüblicher Schraube möglich für industrielle Anwendungen geeignet 20 120 Bausätze bestehend aus 2, 3 oder 4 Sensoren siehe Familie 914xB... 30 30 120 40 120 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung geeignet für Druck- und Zugkräfte vorgespannt und kalibriert, dadurch sofort messbereit 32 20 40 120 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung vorgespannt und kalibriert, dadurch sofort messbereit 34 700 40 120 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung vorgespannt und kalibriert, dadurch sofort messbereit 34 75 20 80 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung vorgespannt und kalibriert, dadurch sofort messbereit 36 0,5 siehe Seite 38 sehr gute Linearität für Messungen mit hoher Genauigkeitsanforderung sehr hohe Empfindlichkeit vorgespannt und kalibriert, dadurch sofort messbereit 38 23
1-Komponenten-Kraftsensoren Produktdetails Technische Daten Typ 9001A 9011A 9021A 9031A D d Fz H Messbereich F z 1) kn 0... 7,5 0... 15 0... 35 0... 60 Kalibrierte Messbereiche F z F z kn kn 0... 6 2) 0... 12 2) 0... 28 2) 0... 48 2) 0... 0,6 2) 0... 1,2 2) 0... 2,8 2) 0... 4,8 2) Empfindlichkeit F 1) z pc/n 4,0 4,3 4,3 4,3 Abmessungen D d H mm mm mm 10,3 4,1 6,5 14,5 6,5 8 22,5 10,5 10 28,5 13 11 Steifigkeit c A,z kn/µm 1,1 1,6 3,4 5,4 Gewicht g 3 7 20 36 Betriebstemperaturbereich 3) C 196... 200 196... 200 196... 200 196... 200 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) IP65 IP68 Zubehör Vorspannschraube 4) Gewinde Steigung/ Länge Vorspannkraft L Typ Fv (kn) 9422A01 M3 0,5 / 19,5 2,5 9422A11 M5 0,8 / 26 5 9422A21 M8 1,25 / 39 10 9422A31 M10 1,5 / 46 20 Vorspannelement Gewinde Steigung/ Länge Vorspannkraft L Typ Fv (kn) 9420A01 M3 0,5 / 22 4 9420A11 M5 0,5 / 28 7 9420A21 M8 1 / 40 18 9420A31 M10 1 / 46 30 Isolierscheibe Abmessungen D S Typ D (mm) S (mm) 9517 14 0,125 9527 22 0,125 9537 28 0,125 Druckkappe Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9509 10 10 9519 14 15 9529 22 20 9539 28 25 Druckverteilring Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9505 10 6 9515 14 8 9525 22 10 9535 28 11 Kugelscheibe Abmessungen H Typ D (mm) H (mm) 9513 12 4 9523 21 6 9533 24 7 D 1) 3) ohne Vorspannung Betriebstemperaturbereich ist abhängig vom verwendeten Kabel 2) 4) mit einer Vorlast von 20 % des Messbereichs im Lieferumfang enthalten 24
9041A 9051A 9061A 9071A 9081B 9091B 0... 90 0... 120 0... 200 0... 400 0... 650 0... 1200 0... 72 2) 0... 96 2) 0... 160 2) 0... 320 2) 0... 650 0... 7,2 2) 0... 9,6 2) 0... 16 2) 0... 32 2) 0... 65 4,3 4,3 4,3 4,3 2,2 2,2 34,5 17 12 40,5 21 13 52,5 26,5 15 75,5 40,5 17 100 40,5 22 0... 1200 0... 120 6,9 9,8 15 29 30 65 70 80 157 370 910 2180 196... 200 196... 200 196... 200 196... 200 40... 200 40... 200 KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. 145 72 28 1-Komponenten 9422A41 9422A51 M12 1,75 / 53 30 M14 2 / 60 40 9420A41 9420A51 9420A61 9420A71 9455 9456 M12 1 / 60 45 M14 1,5 / 62 60 M20 1,5 / 80 100 M27 2 / 102 200 M40 2 450 M64 3 600 (hydraulisch) 9547 34 0,125 9557 40 0,125 9567 52 0,125 9577 75 0,125 9549 34 30 9559 40 40 9569 52 50 9579 75 60 9545 34 12 9555 40 13 9565 52 15 9575 75 17 9543 30 8 9553 36 10 9563 52 14 9573 75 20 25
1-Komponenten-Kraftsensoren Produktdetails Technische Daten Typ 9101A 9102A D d Fz H Messbereich F z 1) kn 0... 20 0... 50 Kalibrierte Messbereiche nicht kalibriert Empfindlichkeit F z 1) pc/n 4,3 4,3 Abmessungen D d H mm mm mm Steifigkeit c A,z kn/µm 1,6 3,4 Gewicht g 7 20 Betriebstemperaturbereich 2) C 40... 120 40... 120 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) IP65 IP68 14,5 6,5 8 22,5 10,5 10 Zubehör Vorspannschraube Gewinde Steigung/Länge Vorspannkraft L Typ Fv (kn) 9422A11 M5 0,8 / 26 5 9422A21 M8 1,25 / 39 10 Vorspannelement Gewinde Steigung/Länge Vorspannkraft L Typ Fv (kn) 9420A11 M5 0,5 / 28 7 9420A21 M8 1 / 40 18 Isolierscheibe Abmessungen D S Typ D (mm) S (mm) 9517 14 0,125 9527 22 0,125 Druckkappe Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9519 14 15 9529 22 20 Druckverteilring Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9515 14 8 9525 22 10 Kugelscheibe Abmessungen D H Typ D (mm) H (mm) (total) 9513 12 4 9523 21 6 1) 2) ohne Vorspannung Betriebstemperaturbereich ist abhängig vom verwendeten Kabel 26
9103A 9104A 9105A 9106A 9107A 0... 100 0... 140 0... 190 0... 330 0... 700 4,3 4,3 4,3 4,3 4,3 28,5 13 11 34,5 17 12 40,5 21 13 5,4 6,9 9,8 15 29 36 70 80 157 370 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. 52,5 26,5 15 75,5 40,5 17 1-Komponenten 9422A31 M10 1,5 / 46 20 9422A41 M12 1,75 / 53 30 9422A51 M14 2 / 60 40 9420A31 M10 1 / 46 30 9420A41 M12 1 / 60 45 9420A51 M14 1,5 / 62 60 9420A61 M20 1,5 / 80 100 9420A71 M27 2 / 102 200 9537 28 0,125 9547 34 0,125 9557 40 0,125 9567 52 0,125 9577 75 0,125 9539 28 25 9549 34 30 9559 40 40 9569 52 50 9579 75 60 9535 28 11 9545 34 12 9555 40 13 9565 52 15 9575 75 17 9533 24 7 9543 30 8 9553 36 10 9563 52 14 9573 75 20 27
1-Komponenten-Kraftsensoren, SlimLine Produktdetails Technische Daten Typ 9130B... 9131B... 9132B... D d Fz H Messbereich F z 1) kn 0... 3 0... 2,5 0... 7 Kalibrierte Messbereiche nicht kalibriert Empfindlichkeit F z 1) pc/n 3,5 4 3,8 Abmessungen D d H mm mm mm 8 2,7 3 Steifigkeit c A,z kn/µm 1 0,9 2,1 Gewicht (ohne Kabel) g 1 1 2 Betriebstemperaturbereich C 20... 120 20... 120 20... 120 Anschluss (mit integriertem Kabel) wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 7 3 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 IP65 12 4,1 3 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. Zubehör Vorspannscheibe Abmessungen L G H D Typ G L (mm) D (mm) H (mm) 9410A0 M2 8 8 3,5 9410A2 M2,5 8 12 3,5 1) ohne Vorspannung Bausätze bestehend aus 2, 3 oder 4 Sensoren, SlimLine Technische Daten Typ 9130BA... 9132BA... Bausatz besteht aus Typ 9130B 9132B Anschluss (Sensoren an Flansch-Buchse nicht lösbar verbunden) Fischer-Flansch 7-pol. neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit angeschlossenem Kabel (z.b. 1971A1...) IP65 Fischer-Flansch 7-pol. neg. 28
9133B... 9134B... 9135B... 9136B... 9137B... 0... 14 0... 26 0... 36 0... 62 0... 80 3,8 3,8 3,8 3,8 3,8 16 6,1 3,5 20 8,1 3,5 24 10,1 3,5 3 6,3 7,8 12,8 18,8 3 5 7 14 27 20... 120 20... 120 20... 120 20... 120 20... 120 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 30 12,1 4 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 36 14,1 5 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 1-Komponenten 9410A3 M3 10 16 4,25 9410A4 M4 10 20 4,25 9410A5 M5 10 24 4,25 9410A6 M6 14 30 5,5 9410A7 M8 16 36 7 9133BA... 9134BA... 9135BA... 9136BA... 9137BA... 9133B 9134B 9135B 9136B 9137B Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. 29
1-Komponenten-Kraftsensoren für Schubkraft, SlimLine Produktdetails Technische Daten Typ 9143B... 9144B... D d H Fy Messbereich F y kn 0,9... 0,9 1,7... 1,7 Kalibrierte Messbereiche nicht kalibriert Empfindlichkeit F y pc/n 6,5 7,5 Abmessungen D d H mm mm mm 16 6,1 3,5 Steifigkeit (Z-Achse) c A,z kn/µm 3 6,3 Steifigkeit (Y-Achse) c S,y kn/µm 1,2 2,4 Gewicht (ohne Kabel) g 3 5 Betriebstemperaturbereich C 20... 120 20... 120 Anschluss (mit integriertem Kabel) wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 IP65 20 8,1 3,5 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. Zubehör Vorspannscheibe Abmessungen Anzugsdrehmoment L G H D Typ G L (mm) D (mm) H (mm) M (N m) 9410A3 M3 10 16 4,25 10 9410A4 M4 10 20 4,25 23 Bausätze bestehend aus 2, 3 oder 4 Sensoren, SlimLine Technische Daten Typ 9143BA... 9144BA... Bausatz besteht aus Typ 9143B 9144B Anschluss (Sensoren an Flansch-Buchse nicht lösbar verbunden) Schutzart nach IEC/EN 60529 mit angeschlossenem Kabel (z.b. 1971A1...) Fischer-Flansch 7-pol. neg. IP65 Fischer-Flansch 7-pol. neg. 30
9145B... 9146B... 9147B... 2,7... 2,7 4... 4 8... 8 7,5 7,5 8,1 24 10,1 3,5 30 12,1 4 7,8 12,8 18,8 3,1 5,1 7,1 7 14 27 20... 120 20... 120 20... 120 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 36 14,1 5 wahlweise KIAG 10 32 pos. int. oder Mini-Coax neg. 1-Komponenten 9410A5 M5 10 24 4,25 46 9410A6 M6 14 30 5,5 79 9410A7 M8 16 36 7 135 9145BA... 9146BA... 9147BA... 9145B 9146B 9147B Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. Fischer-Flansch 7-pol. neg. 31
1-Komponenten-Kraftmesselemente Produktdetails Technische Daten Typ 9301B 9311B 9321B D G Fz H Messbereich F z kn 2,5... 2,5 5... 5 10... 10 Kalibrierte Messbereiche F z F z F z kn kn kn 0... 2,5 0... 2,5 0... 0,025 0... 5 0... 5 0... 0,05 0... 10 0... 10 0... 0,1 Empfindlichkeit F z pc/n 3,2 4 4 Abmessungen D H G mm mm 11 25 M5 15 30 M6 23 45 M10 Steifigkeit c A,z kn/µm 0,44 0,73 1,1 Eigenfrequenz f n(z) khz 90 70 55 Gewicht g 14 28 90 Betriebstemperaturbereich 1) C 40... 120 40... 120 40... 120 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) IP65 IP68 Grundisoliert Vorgespannt Messbereit Zubehör Druckkappe Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9500A0 8,5 4 9500A1 12,5 6 9500A2 18 9 Flansch Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9501A0 25 8 9501A1 34 9 9501A2 44 16 Hinweis Diese Sensoren sind unter der Bezeichnung Typ 93 1BK auch als Referenzsensoren mit exzellenter Linearität (bis ± 0,1 % FSO) und SCS-Kalibrierung erhältlich. Diese eignen sich speziell für Kalibrierungen, z. B. als Werksnormal. 1) Betriebstemperaturbereich ist abhängig vom verwendeten Kabel 32
9331B 9341B 9351B 9361B 9371B 20... 20 30... 30 40... 40 60... 60 120... 120 0... 20 0... 20 0... 0,2 0... 30 0... 30 0... 0,3 0... 40 0... 40 0... 0,4 0... 60 0... 60 0... 0,6 4 4 4 4 4 29 52 M12 35 62 M16 41 72 M20 53 88 M24 0... 120 0... 120 0... 1,2 1,6 2,1 2,4 3,1 6,1 45 40 33 28 22 170 330 480 1020 2500 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. 76 108 M30 1-Komponenten 9500A3 23 12 9500A4 31 15 9500A5 35 18 9500A6 45 22 9500A7 64 32 9501A3 56 20 9501A4 70 27 9501A5 84 35 9501A6 102 42 9501A7 136 51 33
1-Komponenten-Kraftmesselemente, Press Force Produktdetails Technische Daten Typ 9313AA1 9313AA2 9323AA 9323A D G Fz H Messbereich F z kn 0... 5 0... 20 0... 10 0... 20 Erlaubte Zugkraft F z kn 0... 0,5 0... 2 0... 1 0... 2 Kalibrierte Messbereiche F z F z F z kn kn kn 0... 0,05 0... 0,5 0... 5 0... 0,2 0... 2 0... 20 0... 0,1 0... 1 0... 0... 0,2 0... 2 0... 20 Empfindlichkeit F z pc/n 10 10 9,6 3,9 Abmessungen D G H mm mm mm 13 M2,5 10 19 M4 14 20 M5 0,5 26 20 M5 0,5 26 Steifigkeit c A,z kn/µm 0,56 1,50 1,30 1,20 Eigenfrequenz f n(z) khz >38 >35 >74,5 >72 Gewicht g 10 25 50 47 Betriebstemperaturbereich 1) C 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg KIAG 10 32 neg Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) IP65 IP68 Vorgespannt Messbereit Zubehör Flansch Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9580A7 27 7 9580A8 35 8 9580A9 40 8 9580A9 40 8 Druckkappe Abmessungen H D H D Typ D (mm) H (mm) 9500A00 6 3 9500A01 10,5 5 9582A9 20 8,5 9582A9 20 8,5 Montagezapfen Abmessungen Typ D (mm) L (mm) 9590A7 5 12,5 9590A8 10 20,5 Innengewindeadapter Abmessungen H D d Typ D (mm) H (mm) 9584A9 20 8 9584A9 20 8 Aussengewindeadapter Abmessungen H D Typ D (mm) H (mm) 9586A9 20 8 9586A9 20 8 d 1) Betriebstemperaturbereich ist abhängig vom verwendeten Kabel 34
9333A 9343A 9363A 9383A 9393A 0... 50 0... 70 0... 120 0... 300 0... 700 0... 5 0... 10 0... 20 0... 50 0... 120 0... 0,5 0... 5 0... 50 0... 0,7 0... 7 0... 70 0... 1,2 0... 12 0... 120 0... 3 0... 30 0... 300 0... 7 0... 70 0... 700 3,9 3,9 3,8 1,9 1,9 30 M9 0,5 34 36 M13 1 42 54 M20 1,5 60 100 S28 2 130 2,30 2,60 4,40 7,90 10,0 >55 >47 >35 >17 >11,3 137 240 800 6490 18 663 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 40... 120 KIAG 10 32 neg KIAG 10 32 neg KIAG 10 32 neg KIAG 10 32 neg KIAG 10 32 neg 145 31 190 1-Komponenten 9580A0 62 11 9580A1 70 13 9580A2 100 22 9580A4 180 30 9580A6 220 48 9582A0 30 11 9582A1 36,5 13 9582A2 56 22 9582A4 100 50 9582A6 145 80 9584A0 30 11 9584A1 36,5 14 9584A2 56 21 9584A4 100 30 9584A6 150 48 9586A0 30 11 9586A1 36,5 14 9586A2 56 21 9586A4 100 30 9586A6 150 48 35
1-Komponenten-Kraftmesselemente, SlimLine Produktdetails Technische Daten Typ 9173B 9174B Fz H h Messbereich F z kn 3... 12 5... 20 Kalibrierter Messbereich F z kn 0... 12 0... 20 Empfindlichkeit F z pc/n 3,5 3,5 Abmessungen G D D H h G mm mm mm 18 22 14 M12 1,25 22 24 16 M16 1,5 Steifigkeit c A,z kn/µm 0,7 1,2 Eigenfrequenz f n(z) khz 74 66 Gewicht (ohne Kabel) g 28 40 Betriebstemperaturbereich C 20... 80 20... 80 Anschluss 1) (mit integriertem Kabel) KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 IP65 Grundisoliert Vorgespannt Messbereit Zubehör Druckkappe Abmessungen Typ D (mm) H (mm) 9416A3 14 6 9416A4 18 8 1) mitgelieferte Steckerkupplung 1729A2 montiert 36
9175B 9176B 9177B 8... 30 16... 60 20... 75 0... 30 0... 60 0... 75 3,5 3,5 3,5 26 28 19 M20 1,5 32 34 23 M24 2 38 38 28 M30 2 1,6 2,4 3,4 57 47 40 81 147 227 20... 80 20... 80 20... 80 KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. 1-Komponenten 9416A5 22 9 9416A6 28 9 9416A7 34 9,8 37
1-Komponenten-Kraftmesselemente, Kleinkraft Produktdetails Technische Daten Typ 9203 9205 D H Messbereich F z N 500... 500 50... 50 Kalibrierte Messbereiche Fz F z F z F z G N N N 0... 5 0... 50 / 0... 50 0... 500 / 0... 500 0... 0,5 / 0... 0,5 0... 5 / 0... 5 0... 50 / 0... 50 Empfindlichkeit F z pc/n 45 115 Abmessungen D H G mm M10 1 28,5 M3 (Innengewinde) M10 1 28,5 M3 (Innengewinde) Steifigkeit c A,z N/µm 40 4 Eigenfrequenz f n(z) khz >27 >10 Gewicht g 13 19 Betriebstemperaturbereich 1) C 150... 240 50... 150 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg., radial Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) mit Kabel geschraubt (z.b. 1651C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AB...) IP65 IP68 IP65 IP68 Vorgespannt Messbereit Zubehör Koppelelement Abmessungen Typ D (mm) H (mm) 9405 6,3 18 9405 6,3 18 Kugelvorsatz Abmessungen Typ D (mm) H (mm) 3.220.139 6,3 7 3.220.139 2) 6,3 7 1) 2) Betriebstemperaturbereich ist abhängig vom verwendeten Kabel Im Lieferumfang enthalten 38
9207 9215A 9217A 50... 50 20... 200 500... 500 0... 0,5 / 0... 0,5 0... 5 / 0... 5 0... 50 / 0... 50 0... 2 0... 20 0... 200 115 95 105 M10 1 28,5 M3 (Innengewinde) M5 0,5 12,5 M2 (Innengewinde) 0... 5 0... 50 / 0... 50 0... 500 / 0... 500 M10 1 28,5 M3 (Innengewinde) 4 100 15 >10 >50 >20 19 2,5 16 50... 150 50... 180 80... 205 KIAG 10 32 neg., axial M4 0,35 neg. KIAG 10 32 neg. 1-Komponenten 9405 6,3 18 9405 6,3 18 3.220.139 2) 6,3 7 3.220.217 2) 4 3,8 3.220.139 6,3 7 39
1-Komponenten-Sensoren Kabel Piezoelektrische Kraftsensoren und Ladungsverstärker müssen zwingend mit einem hochisolierenden Kabel verbunden werden (Isolationswiderstand >10 13 Ω). Im Gegensatz zu Standard-Koaxialkabeln wird bei hochisolierenden Kabeln der innerste Leiter mit PTFE isoliert. Dadurch wird der Drifteffekt auf ein absolutes Minimum reduziert. Zusätzlich minimiert eine Spezialummantelung aus Graphit den triboelektrischen Effekt. Beim äussersten Isolationsmantel gibt es verschiedene Ausführungen mit entsprechenden Eigenschaften (siehe Kabelausführungen). tionen). Nichtsdestotrotz empfiehlt es sich, bei der Verlegung der Kabel stets darauf zu achten, dass diese möglichst wenig Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind. Kabelausführungen PFA-Kabel (ø2 mm) Die äussere Isolation des hochisolierenden PFA-Kabels besteht aus einem PTFE ähnlichen Material und weist somit eine ausgezeichnete thermische Stabilität sowie eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit auf. Für die meisten Anwendungen bis 200 C reicht das PFA-Kabel vollkommen aus. 1 PFA-Kabel 2 3 4 5 PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht (ø2,6 mm) Das PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht empfiehlt sich besonders für Anwendungen, in denen das Kabel mechanisch beansprucht wird (z.b. vibrationsbedingte Reibung, scharfe Kanten, etc.). 1 Äussere Isolation 2 Elektr. Abschirmung 3 Spezialummantelung (Graphitleiter) 4 Elektrische Isolation PTFE 5 Inneres Kabel Aufbau eines hochisolierenden Kistler Kabels Die in den folgenden beiden Abschnitten dargelegten Punkte sind besonders bei der Messung von sehr kleinen Kräften im Newtonbereich wichtig. PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht FKM-Kabel (ø2 mm) Auch das FKM-Kabel zeichnet sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit bzw. Einsatztemperaturen von bis zu 200 C aus. Im Gegensatz zum PFA-Kabel sind die Kabelstecker aber mit vulkanisierten Steckern bestückt. Durch das Verschweissen von Kabel- und Sensorstecker lassen sich IP68-dichte Lösungen erreichen. Nebst dem Einsatz von hochisolierenden Kabeln sollte bei der Arbeit mit piezoelektrischen Messketten auch darauf geachtet werden, dass alle Stecker und Buchsen stets sauber sind. Es wird empfohlen, die Schutzkappen auf den Buchsen der Kraftsensoren bzw. Ladungsverstärker zu belassen, bis diese angeschlossen werden. Beim Trennen bzw. Aufbewahren der Komponenten sollten die Schutzkappen wieder montiert werden. Bei einer allfälligen Verschmutzung können die Stecker mit dem Kistler Reinigungsspray Typ 1003 gereinigt werden. Das Phänomen des triboelektrischen Effekts beschreibt, wie durch das Bewegen eines Kabels minimale Ladungen an der Leiteroberfläche entstehen. Dank der Spezialummantelung aus Graphit ist der Einfluss des triboelektrischen Effekts bei hochisolierenden Kabeln von Kistler allerdings sehr gering (<1 pc bei hohen Vibra- FKM-Kabel PI-Kabel Der Einsatz von PI-Kabeln empfiehlt sich nur bei Hochtemperaturanwendungen bis 260 C. Da der Einsatz von PI-Kabeln eher selten ist und spezielles Wissen erfordert, werden die entsprechenden Produkte in diesem Katalog nicht aufgeführt. Bitte kontaktieren Sie bei Bedarf Ihren lokalen Kistler Vertrieb. Kabellängen Alle Kistler Kabel sind in Standard- sowie kundenspezifischen Längen verfügbar. Standardlängen werden an Lager gehalten und bieten deshalb den Vorteil von kürzeren Lieferzeiten. 40
Kabelanschlüsse Kabelstecker sensorseitig Für den Anschluss der Kabel an den Sensor stehen grundsätzlich zwei Kabelstecker zur Verfügung. Kabel mit einem KIAG 10-32 pos. Stecker können dank der drehbaren Überwurfmutter schnell und ohne Mitdrehen des gesamten Kabels an- und abgeschraubt werden. Dies ist besonders bei Anwendungen von Vorteil, bei denen das Kabel öfters entfernt bzw. wieder angebracht werden muss. Kabelstecker ladungsverstärkerseitig Für den direkten Anschluss des Kabels an den Ladungsverstärker wird zwingend ein BNC pos. Kabelstecker benötigt. Die meisten Kabel sind in dieser Ausführung erhältlich. Für Anwendungen, bei denen das Kabel durch kleine Öffnungen verlegt werden muss, sind diese Kabel jedoch nicht geeignet. Hierfür sind Kabel mit einem KIAG 10-32 pos. (int.) Kabelstecker beidseitig besser geeignet. Bedingt durch den kleineren Durchmesser von KIAG 10-32 Steckern (ø6 mm) im Vergleich zu BNC-Steckern (ø15 mm) lassen sich diese durch kleinere Öffnungen verlegen. Anschliessend kann der KIAG 10-32 Kabelstecker mit einer Kupplung Typ 1721 an die BNC-Buchse des Ladungsverstärkers angeschlossen werden. 1-Komponenten Kabel mit Anschluss KIAG 10-32 pos. beidseitig KIAG 10-32 pos. Stecker mit drehbarer Überwurfmutter Der KIAG 10-32 pos. int. Kabelstecker verfügt über ein integriertes Gewinde, wodurch sich das Kabel beim An- und Abschrauben auch gleich mitdreht. Dieser Anschluss ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kabelstecker an den Sensor verschweisst werden muss. Bei PFA-Kabeln bietet die Verschweissung des Kabelsteckers mit dem Sensor einen guten Schutz vor einem Loslösen des Kabels, wenn die Messkette starken Vibrationen ausgesetzt ist. Wenn eine hohe Dichtigkeit (IP68) gefordert wird, so ist das FKM-Kabel vorzuziehen. Kupplung Typ 1721 (KIAG 10-32 neg. zu BNC pos.) Wenn Sie eine Verschweissung des Steckers mit dem Sensor wünschen, geben Sie dies bitte bei der Bestellung an. KIAG 10-32 pos. int. Stecker mit integriertem Gewinde 41
1-Komponenten-Sensoren Kabelübersicht Sensorfamilie Kabel Technische Daten Typ Anschluss Länge Standard [m] links rechts 1631C KIAG 10-32 pos. BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 3 / 5 / 10 / 20 1641B KIAG 10-32 pos. 90 BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 5 1939A KIAG 10-32 pos. int. BNC pos. 1 / 2 / 3 1635C KIAG 10-32 pos. KIAG 10-32 pos. 0,5 / 1 / 2 / 3 / 5 / 10 90x1A 90x1B 910xA 917xB 92 1) 93x1B 9313AA 93x3A 1957A KIAG 10-32 pos. KIAG 10-32 pos. 1 1969A KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 1 1967A KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 2 / 3 1983AD KIAG 10-32 pos. int. BNC pos. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3 / 5 1983AC KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3 / 5 913xB2 914xB2 1721 Kabel ist im Sensor integriert > Anschluss an Ladungsverstärker mit Kupplung 1721 (KIAG 10-32 neg. BNC pos.) 1971A1 Fischer-Flansch 7-pol. pos. BNC pos. 3 913xBA 914xBA 1973Ax1 Fischer-Flansch 7-pol. pos. 2 4 x BNC pos. 3 1651C M4x0,35 pos. BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 5 / 10 1923A M4x0,35 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 9215A 1983AB M4x0,35 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 3 / 5 1) Ausnahme Typ 9215A 42
Länge kundenspezifisch [m] Material Kabelummantelung Betriebstemperaturbereich [ C] Kabel an Sensor schweissbar Schutzart nach IEC/EN 60529 Bemerkungen min. max. min. max. ja nein links rechts 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,1 100 PFA 55 200 IP40 IP40 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP65 1-Komponenten 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht masseisoliert 55 200 IP65 IP65 55 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 55 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst IP65 IP65 IP40 IP65 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 Anschlusskabel für Gesamtsignal (summiert) 0,1 20 PFA mit Schutzschlauch (PUR) 55 120 IP65 IP40 Anschlusskabel für Einzelsignale 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst IP65 43
44
2-/3-Komponenten 2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren 45
2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren Bei der Kraft- und Momentmessung mit piezoelektrischen 2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren ist der Einbau in die Struktur entscheidend. Kistler bietet für jede Anforderung den passenden Sensor. Je nach Einbau in die Struktur sind bei Kistler die folgenden zwei Ausführungen erhältlich: 3-Komponenten-Kraftsensoren 3-Komponenten-Kraftmesselemente und 2-Komponenten- Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente Je nach Anwendung eignet sich die eine oder andere Kategorie besser. Die folgende Tabelle zeigt Vorteile und Einschränkungen auf: 3-Komponenten-Kraftsensoren 3-Komponenten-Kraftmesselemente 2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente + Geringe Bauhöhe, dadurch ideal für enge Einbauverhältnisse und grössere Biegemomente + Preiswerte Option für Kunden mit Erfahrung in der Integration von Kraftsensoren + Einfacher Einbau, da bereits vorgespannt + Keine aufwändige Nachkalibrierung nach dem Einbau notwendig, dadurch sofort messbereit + Geeignet für Kunden mit wenig Erfahrung in der Integration von Kraftsensoren Aufwändiger Einbau unter Vorspannung mittels Vorspannelement notwendig Für genaue Messungen ist eine Nachkalibrierung nach dem Einbau notwendig Grosse Bauhöhe Detaillierte Erläuterungen zu den zwei Ausführungen sind in den folgenden Abschnitten aufgeführt. 46
3-Komponenten-Kraftsensoren 3-Komponenten-Kraftsensoren bestehen im Wesentlichen aus drei Kristallscheibenpaaren, eines für jede orthogonale Kraftkomponente, welche unter leichter Vorspannung in ein dicht verschweisstes Gehäuse integriert sind. Fx Für eine bessere Übertragung der Schubkräfte von der Struktur auf den Sensor sind bei allen 3-Komponenten-Kraftsensoren die zwei Auflageflächen mit einer Keramikschicht beschichtet, was zu einer erheblich höheren Haftreibung führt. Die Vorspannung des Sensors in der Applikation wird mit einem Vorspannelement realisiert. Die nachfolgende Darstellung zeigt beispielhaft den Einbau eines 3-Komponenten-Kraftsensors mittels Vorspannelement. Fz Zentrierhülse Ringmutter Fz Fy Fx Fy Gleitscheibe Sensor 2-/3-Komponenten Vorspannbolzen Einbau mit Vorspannelement Aufbau eines 3-Komponenten-Kraftsensors Durch ihre kompakte Bauform eignen sich die 3-Komponenten- Kraftsensoren hervorragend für Applikationen mit engen Einbauverhältnissen. Die Sensoren erfassen gleichzeitig Druck- und Zugkräfte (±F z) sowie auch positive und negative Schubkräfte in beide Schubrichtungen (±F x und ±F y). Einbau unter Vorspannung Beim Einbau in die Applikation müssen 3-Komponenten-Kraftsensoren aus folgenden Gründen immer mechanisch vorgespannt werden: Einfluss der Vorspannung auf die Empfindlichkeit Die Vorspannung des Sensors mittels Vorspannelement führt zu einem Kraftnebenschluss. Ein Teil der Kraft in z-richtung, welche von der Applikation auf den vorgespannten Sensor einwirkt (typischerweise 7 % bis 10 %), wird durch den Vorspannbolzen geleitet. Dies resultiert in einer geringeren Empfindlichkeit des Sensors in z-richtung im eingebauten Zustand. Für genaue Messungen empfiehlt es sich deshalb, den vorgespannten Sensor in der Applikation zu kalibrieren. F Biegemomente und Seitenkräfte werden aufgenommen, aber nicht gemessen Mikrospalten werden geschlossen, was eine hohe Steifigkeit und damit einen weiten Frequenzbereich sichert Genügend grosse Haftreibung für die Übertragung der Schubkräfte von der Struktur auf den Kraftsensor Weil bei den 3-Komponenten-Kraftsensoren die Haftreibung für die Übertragung der Schubkräfte von der Struktur auf den Sensor genutzt wird, müssen die Sensoren in z-richtung relativ hoch mit ca. 70% des Total-Messbereichs vorgespannt werden. Kraftnebenschluss beim vorgespannten 3-Komponenten-Kraftsensor 47
3-Komponenten-Kraftmesselemente Die 3-Komponenten-Kraftmesselemente bestehen aus einem 3-Komponenten-Kraftsensor, der zwischen zwei Montageflanschen grundisoliert vorgespannt ist. Sensor Montageflansche 3-Komponenten-Kraftmesselement, bestehend aus 3-Komponent-Kraftsensor, vorgespannt zwischen zwei Montageflanschen Im Gegensatz zum 3-Komponenten-Kraftsensor vereinfacht sich durch diesen Aufbau die Installation in der Applikation wesentlich, da die Messelemente bereits vorgespannt sowie kalibriert und dadurch sofort messbereit sind. Mit 3-Komponenten-Kraftmesselementen können gleichzeitig Druck- und Zugkräfte (±F z) sowie auch positive und negative Schubkräfte in beide Schubrichtungen (±F x und ±F y) erfasst werden. 2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment- Messelemente Die 2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente bestehen aus einem Sensor, der zwischen zwei Spezialmuttern vorgespannt ist. Durch diesen Aufbau ist die Installation in der Applikation sehr einfach, da der Sensor bereits vorgespannt sowie kalibriert und dadurch sofort messbereit ist. 2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment-Messelement (±F z, ±M z) Die 2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente erfassen Druck- und Zugkräfte (±F z) sowie gleichzeitig die korrespondierenden positiven und negativen Reaktionsmomente (±M z). 48
49 2-/3-Komponenten
2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren Messketten Messen Verbinden Verstärken 3-Komponenten- Kraftsensoren 90x7C, 90x8C 1) 1698AA... 1698AB... 1698ACsp Ladungsverstärker ohne integrierte Datenerfassung 5015A 5018A... 5070A... 93x7C 3-Komponenten- Kraftmesselemente Ladungsverstärker mit integrierter Datenerfassung 5165A 5171A 2) 2-Komponenten-Kraft- Reaktionsmoment-Messelemente 93x5B 1698AD... 1698AB... 1698ACsp Details ab Seite 52 Details ab Seite 59 Details ab Seite 93 1) 2) Die Sensoren des Typs 90x8C sind technisch identisch mit den Typen 90x7C, haben aber ein gedrehtes Koordinatensystem (siehe Datenblatt) Bedingt eine CompactRIO TM -Plattform von National Instruments > Umsetzung der Datenerfassung kundenseitig in LabVIEW TM 50
Erfassen Analysieren Kabel für Verbindung zum Datenerfassungsgerät Datenerfassungsgerät (kundenseitig) Kabel für Verbindung zum Laptop Laptop (kundenseitig) Ethernetkabel Laptop (kundenseitig) mit LabAmp GUI (Graphical User Interface) 2-/3-Komponenten 51
2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren Produktübersicht Typ Messrichtung Messbereich [kn; N m] Schubkraft (±Fx) Schubkraft (±Fy) Druck- & Zugkraft (±Fz) Reaktionsmoment (±Mz) 1000 100 10 1 9017C / 9018C 1) 3 3-Komponenten-Kraftsensoren 9027C / 9028C 1) 9047C / 9048C 1) 9067C / 9068C 1) 60 30 30 15 8 4 9077C / 9078C 1) 150 75 9317C 3 3-Komponenten-Kraftmesselemente 9327C 9347C 9367C 60 30 8 10 5 9377C 150 30 2-Komponenten- Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente 9345B 9365B 200 25 20 10 1) Die Sensoren des Typs 90x8C sind technisch identisch mit den Typen 90x7C, haben aber ein gedrehtes Koordinatensystem (siehe Datenblatt) 52
0,1 0 0,1 1 10 100 1000 Seite Druck-/Zugkraft F z 3 1,5 Schubkraft F xy 1,5 54 Druck-/Zugkraft F z 8 Schubkraft F xy 4 54 Druck-/Zugkraft F z 30 Schubkraft F xy 15 Druck-/Zugkraft F z 60 Schubkraft F xy 30 55 55 2-/3-Komponenten Druck-/Zugkraft F z 150 Schubkraft F xy 75 55 Druck-/Zugkraft F z 3 0,5 Schubkraft F xy 0,5 56 Druck-/Zugkraft F z 8 1 Schubkraft F xy 1 56 Druck-/Zugkraft F z 30 Schubkraft F xy 5 57 Druck-/Zugkraft F z 60 Schubkraft F xy 10 57 Druck-/Zugkraft F z 150 Schubkraft F xy 30 57 Druck-/Zugkraft F z 10 Reaktionsmoment M z 25 58 Druck-/Zugkraft F z 20 Reaktionsmoment M z 200 58 53
3-Komponenten-Kraftsensoren Produktdetails Technische Daten Typ 9017C/9018C 1) 9027C/9028C 1) H D d Fz Fx Fy Messbereiche Kalibrierte Messbereiche Empfindlichkeit Abmessungen Steifigkeit F x, F y F z F x, F y F z F z (ohne Vorspannung) F x, F y F z D d H c S,xy c A,z kn kn kn kn kn pc/n pc/n mm mm mm kn/µm kn/µm 1,5... 1,5 3... 3 Standardeinbau mit 9,5 kn Vorspannung 0... 1,5 0... 3 0... 12,5 25 11 19 6,5 10 0,3 1,4 Gewicht g 14 30 4... 4 8... 8 Standardeinbau mit 20 kn Vorspannung 0... 4 0... 8 0... 28 7,8 3,8 28 8,1 12 0,6 2,2 Betriebstemperaturbereich C 40... 120 40... 120 Anschluss V3 neg. V3 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1698AA...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1698ACsp) IP65 IP68 Zubehör Vorspannelement Gewinde Steigung / Länge Vorspannkraft Typ Fv (kn) 9460 M6 0,75 / 29 9,5 9461 M8 1 / 40 20 Schlüsseleinsatz Typ 9479 9475 Vorspannelement Gewinde Steigung / Länge Vorspannkraft Typ Fv (kn) Schlüsseleinsatz Vorspannelement Gewinde Steigung / Länge Vorspannkraft Typ Typ Fv (kn) Schlüsseleinsatz Typ 1) Die Sensoren des Typs 90x8C sind technisch identisch mit den Typen 90x7C, haben aber ein gedrehtes Koordinatensystem (siehe Datenblatt) 54
9047C/9048C 1) 9067C/9068C 1) 9077C/9078C 1) 15... 15 30... 30 Standardeinbau mit 70 kn Vorspannung 0... 15 0... 30 0... 100 30... 30 60... 60 Standardeinbau mit 140 kn Vorspannung 0... 30 0... 60 0... 200 75... 75 150... 150 Standardeinbau mit 350 kn Vorspannung 0... 75 0... 150 0... 500 8,1 3,7 45 14,1 14 1,9 6,1 8,1 3,9 65 26,5 21 2,4 8 4,2 2 105 40,5 26 8,4 26 91 285 1040 2-/3-Komponenten 40... 120 40... 120 40... 120 V3 neg. V3 neg. V3 neg. 9465 M14 1,5 / 57 70 9451A M20 1,5 / 78 140 9472 9471 9455 M40 2 / 105 350 9459 M26 0,75 / 76 140 9473 9477 55
3-Komponenten-Kraftmesselemente Produktdetails Technische Daten Typ 9317C 9327C Fz Fx H Fy L B Messbereiche Kalibrierte Messbereiche Empfindlichkeit F x, F y F z F x, F y F z F x, F y F z c A,z kn kn kn kn pc/n pc/n 0,5... 0,5 3... 3 0... 0,05 / 0... 0,5 0... 0,3 / 0... 3 25 11 1... 1 8... 8 0... 0,1 / 0... 1 0... 0,8 / 0... 8 7,8 3,8 Abmessungen L B H mm 25 25 30 42 42 42 Steifigkeit c 1) S,xy kn/µm 0,19 0,39 kn/µm 0,9 1,4 Eigenfrequenz f n(x), f n(y) f n(z) khz khz 5,6 20 Gewicht g 85 380 3,2 12 Betriebstemperaturbereich C 40... 120 40... 120 Anschluss V3 neg. V3 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1698AA...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1698ACsp) IP65 IP68 Grundisoliert Vorgespannt Messbereit 1) ohne Berücksichtigung der Biegung 56
9347C 9367C 9377C 5... 5 30... 30 0... 0,5 / 0... 5 0... 3 / 0... 30 7,8 3,7 10... 10 60... 60 0... 1 / 0... 10 0... 6 / 0... 60 7,6 3,9 30... 30 150... 150 0... 3 / 0... 30 0... 15 / 0... 150 3,9 1,95 55 55 60 80 80 90 120 120 125 0,89 2,7 3,6 10 1,2 3,8 2,4 6 3,2 8,2 2 6 1000 3000 10 500 40... 120 40... 120 40... 120 V3 neg. V3 neg. V3 neg. 2-/3-Komponenten 57
2-Komponenten-Kraft-Reaktionsmoment-Messelemente Produktdetails Technische Daten Typ 9345B 9365B D Fz Mz H Messbereich Kalibrierte Messbereiche Steifigkeit (gerechnet) Eigenfrequenz Empfindlichkeit Abmessungen F z M z F z M z c A,z c T,z f n(z) f n(m z) F z M z D H kn N m kn N m kn/µm N m/µm khz khz pc/n pc/n m mm mm 10... 10 25... 25 0... 1 0... 10 0... 2,5 / 0... 2,5 0... 25 / 0... 25 1,7 0,19 >41 >32 3,7 190 39 42 20... 20 200... 200 0... 2 0... 20 0... 20 / 0... 20 0... 200 / 0... 200 2,8 0,92 >33 >25 3,6 140 56.5 60 Gewicht g 267 834 Betriebstemperaturbereich C 40... 120 40... 120 Anschluss V3 neg. V3 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1698AD...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1698ACsp) Vorgespannt Messbereit IP65 IP68 58
2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren Kabel Piezoelektrische Kraftsensoren und Ladungsverstärker müssen zwingend mit einem hochisolierenden Kabel verbunden werden (Isolationswiderstand >10 13 Ω). Im Gegensatz zu Standard-Koaxialkabeln wird bei hochisolierenden Kabeln der innerste Leiter mit PTFE isoliert. Dadurch wird der Drifteffekt auf ein absolutes Minimum reduziert. Zusätzlich minimiert eine Spezialummantelung aus Graphit den triboelektrischen Effekt. Beim äussersten Isolationsmantel gibt es verschiedene Ausführungen mit entsprechenden Eigenschaften (siehe Kabelausführungen). 1 2 3 4 5 1 Äussere Isolation 2 Elektr. Abschirmung 3 Spezialummantelung (Graphitleiter) 4 Elektrische Isolation PTFE 5 Inneres Kabel Kabeln von Kistler allerdings sehr gering (<1 pc bei hohen Vibrationen). Nichtsdestotrotz empfiehlt es sich, bei der Verlegung der Kabel stets darauf zu achten, dass diese möglichst wenig Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind. Kabelausführungen PFA-Kabel mit Kunststoffgeflecht (ø6 mm) Das 3-Leiter-Kabel ist aus drei einzelnen PFA-Kabeln aufgebaut. Ein Kunststoffgeflecht umgibt die Kabel und hält diese zusammen. Die äussere Isolation der einzelnen hochisolierenden PFA-Kabel besteht aus einem PTFE ähnlichen Material und weist somit eine ausgezeichnete thermische Stabilität sowie eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit auf. Für die meisten Anwendungen bis 120 C reicht das PFA-Kabel mit Kunststoffgeflecht vollkommen aus. PFA-Kabel mit Kunststoffgeflecht TPE-Kabel (ø3,6 mm) Das TPE-Kabel ist ein hochisolierendes 3-Leiter-Kabel mit einer Ummantelung aus TPE, einem thermoplastischen Elastomer. Das Kabel eignet sich für Anwendungen bis 120 C in rauer Umgebung (z.b. Staub und Spritzwasser). 2-/3-Komponenten Aufbau eines hochisolierenden Kistler Kabels TPE-Kabel Die in den folgenden beiden Abschnitten dargelegten Punkte sind besonders bei der Messung von sehr kleinen Kräften im Newtonbereich wichtig. Nebst dem Einsatz von hochisolierenden Kabeln sollte bei der Arbeit mit piezoelektrischen Messketten auch darauf geachtet werden, dass alle Stecker und Buchsen stets sauber sind. Es wird empfohlen, die Schutzkappen auf den Buchsen der Kraftsensoren bzw. Ladungsverstärker zu belassen, bis diese angeschlossen werden. Beim Trennen bzw. Aufbewahren der Komponenten sollten die Schutzkappen wieder montiert werden. Bei einer allfälligen Verschmutzung können die Stecker mit dem Kistler Reinigungsspray Typ 1003 gereinigt werden. Das Phänomen des triboelektrischen Effekts beschreibt, wie durch das Bewegen eines Kabels minimale Ladungen an der Leiteroberfläche entstehen. Dank der Spezialummantelung aus Graphit ist der Einfluss des triboelektrischen Effekts bei hochisolierenden FKM-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht (ø7,5 mm) Das FKM-Kabel ist ein hochisolierendes 3-Leiter-Kabel mit einer Ummantelung aus FKM, geschützt mit einem rostfreien Stahlgeflecht. Durch den robusten Aufbau eignet es sich insbesonders für Anwendungen bis 120 C, bei denen das Kabel mechanisch beansprucht wird (z.b. vibrationsbedingte Reibung, scharfe Kanten, etc.). Durch das Verschweissen von Kabel- und Sensorstecker lassen sich IP68-dichte Lösungen erreichen. FKM-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht 59
Kabellängen Alle Kistler Kabel sind in Standard- sowie kundenspezifischen Längen verfügbar. Standardlängen werden an Lager gehalten und bieten deshalb den Vorteil von kürzeren Lieferzeiten. Kabelanschlüsse Kabelstecker sensorseitig Die Kabel werden mittels V3 pos. Stecker an den Sensor angeschlossen. Der hochintegrierte Stecker, bei dem alle drei Leiter über denselben Stecker geführt werden, bietet gegenüber herkömmlichen Einzelsteckerlösungen, bei denen jeder der drei Leiter über einen einzelnen Stecker geführt wird, die folgenden Vorteile: Kabelstecker ladungsverstärkerseitig Für den Anschluss des Kabels an den Ladungsverstärker stehen zwei Stecker-Varianten zur Verfügung, wobei der Stecker abhängig von der Kabelausführung ist (siehe Kabelübersicht Seite 62). Bei der Variante 2 x BNC pos. bzw. 3 x BNC pos. werden die Sensorsignale der 2-Komponenten- bzw. 3-Komponenten- Sensoren mittels zwei bzw. drei einzelner BNC pos. Stecker mit dem Ladungsverstärker verbunden. Diese Variante ist für die meisten Anwendungen in einer Laborumgebung vollkommen ausreichend. Der Stecker Fischer 9-pol. pos. hat alle Sensorsignale der 2-Komponenten- bzw. 3-Komponenten-Sensoren im selben Stecker integriert und eignet sich bestens für Anwendungen in etwas rauerer Umgebung, die einen Staubschutz erfordert. Einfache und schnelle Montage; entscheidend in Anwendungen, bei denen das Kabel öfters entfernt und wieder angebracht wird Dichtigkeit der Stecker ist einfacher realisierbar, da nur eine Stecker-Schweissung notwendig ist Beim V3 pos. Stecker gibt es zwei unterschiedliche Varianten. In Anwendungen, bei denen das Kabel jederzeit vom Sensor loslösbar sein muss, ist die Variante mit dem schraubbaren Stecker zu wählen. Erfordert die Anwendung eine hohe Dichtigkeit (IP68) des Steckers, so ist die Variante mit dem schweissbaren Stecker zu wählen. Bitte geben Sie in diesem Fall bei der Bestellung an, dass der Stecker mit dem Sensor verschweisst werden soll. Stecker 3 x BNC pos. In der Kabelübersicht auf Seite 62 ist ersichtlich, welche Kabel mit welcher Stecker-Variante ausgestattet sind. Stecker Fischer 9-pol. pos. 60
61 2-/3-Komponenten
2-Komponenten- und 3-Komponenten-Sensoren Kabelübersicht Sensorfamilie Kabel Technische Daten Typ Anschluss Länge Standard [m] links rechts 1698AA V3 pos. 3 x BNC pos. 1 / 2 / 5 90x7C / 90x8C 93x7C 1698AB V3 pos. Fischer 9-pol. pos. 1 / 2 / 5 1698ACsp V3 pos. Fischer 9-pol. pos. 1698AD V3 pos. 2 x BNC pos. 2 93x5B 1698AB V3 pos. Fischer 9-pol. pos. 1 / 2 / 5 1698ACsp V3 pos. Fischer 9-pol. pos. 1) 2) Kabel ist nicht schraubbar und muss zwingend mit dem Sensor verschweisst werden Das Stahlgeflecht ist torsionssteif. Um eine sichere Steckverbindung zu ermöglichen, ist das Kabel immer 0,5 m länger zu bestellen 62
Länge kundenspezifisch [m] Material Kabelummantelung Betriebstemperaturbereich [ C] Kabel an Sensor schweissbar Schutzart nach IEC/EN 60529 min. max. min. max. ja nein links rechts 0,2 20 PFA mit 40 120 IP65 IP40 Kunststoffgeflecht > Anschluss verschraubt Bemerkungen Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,5 20 TPE 40 120 IP65 > Anschluss verschraubt IP65 1 2) 15 2) FKM mit rostfreiem Stahlgeflecht 40 120 1) IP68 > Anschluss verschweisst IP65 0,2 20 PFA mit Kunststoffgeflecht 40 120 IP65 > Anschluss verschraubt IP40 Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,5 20 TPE 40 120 IP65 > Anschluss verschraubt 1 2) 15 2) FKM mit rostfreiem Stahlgeflecht 40 120 1) IP68 > Anschluss verschweisst IP65 IP65 2-/3-Komponenten 63
64
Dynamometer Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze (3-Komponenten) 65
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Kistler bietet neben den klassischen Dynamometern auch Kraftmesselemente-Bausätze an und somit für viele T&M- Anwendungen die passende Lösung. Je nach Anwendung eignet sich die eine oder andere der folgenden zwei Ausführungen: Dynamometer 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausätze Mit beiden Ausführungen ist sowohl die 3-Komponenten-Kraftmessung (F x, F y, F z) als auch die sogenannte 6-Komponeten- Kraft-Moment-Messung (F x, F y, F z, M x, M y, M z) möglich, wobei die Momente nicht gemessen, sondern aus den Kraftkomponenten und den geometrischen Abmessungen des Dynamometers berechnet werden. Die folgende Tabelle zeigt Vorteile und Einschränkungen auf, und dient als Entscheidungshilfe, um für die spezifische Anwendung die geeignete Ausführung zu wählen: Dynamometer 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausätze + Vorgefertigtes Standard-Dynamometer, dadurch sofort messbereit + Geprüfte Spezifikationen (in F x, F y, F z) Geometrische Abmessungen sind vorgegeben und können nicht verändert werden + Bausatz für den Eigenbau einer applikationsspezifischen Kraftmessplatte + Kundenspezifische Abmessungen der Grund- und Deckplatte + Bausatz vorkalibriert Einhaltung der Spezifikationen liegt in der Verantwortung des Kunden Erheblicher Arbeitsaufwand bis zur fertigen, messbereiten Kraftmessplatte (Konstruktion und Fertigung der Grundund Deckplatte sowie Montage), bedingt entsprechendes Know-How Detaillierte Erläuterungen zu den zwei Ausführungen sind in den folgenden Abschnitten aufgeführt. 66
Dynamometer Ein Dynamometer besteht aus vier einzelnen 3-Komponenten- Kraftsensoren, welche unter hoher Vorspannung zwischen einer Grund- und Deckplatte eingebaut sind. Dadurch, dass die Dynamometer bereits vorgespannt und für die 3-Komponenten-Kraftmessung kalibriert sind (F x, F y, F z), können diese sehr einfach in die Applikation integriert und sofort eingesetzt werden. Viel weniger verbreitet ist die von Kistler patentierte horizontale Vorspannung. Der klassische Aufbau mit Grund- und Deckplatte wird dabei nicht mehr verwendet, stattdessen werden jeweils zwei 3-Komponenten-Kraftsensoren zwischen den beiden Seitenund der Deckplatte mit einer Vorspannschraube in horizontaler Richtung vorgespannt. Fx Fx Fz Fy Fz Fy Schema horizontal vorgespanntes Dynamometer x4 Aufbau eines Dynamometers aus vier 3-Komponenten-Kraftsensoren Bei den Dynamometern gibt es zwei unterschiedliche Ausführungen, die sich in ihrer Vorspannung (horizontal oder vertikal) unterscheiden. Die vertikale Vorspannung bildet die klassische Methode eines Aufbaus. Dabei werden 3-Komponenten-Kraftsensoren einzeln mit Vorspannschrauben in vertikaler Richtung zwischen Grundund Deckplatte vorgespannt. Schema vertikal vorgespanntes Dynamometer Vorteile von Dynamometern mit horizontaler Vorspannung Signifikante Minimierung von thermischen Einflüssen auf Signale Kompakter Aufbau Höhere Eigenfrequenzen 3-Komponenten-Kraftmesselemente- Bausätze Ein 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausatz besteht aus vier in sich bereits vorgespannten 3-Komponenten-Kraftmesselementen, deren Ausgänge auf eine Summierbox geführt sind. Die Bausätze eignen sich bestens für den Eigenbau von Kraftmessplatten mit kundenspezifischen Abmessungen der Grund- und Deckplatten. Dazu werden die Bausätze bereits im Werk als Kraftmessplatten kalibriert (Fx, Fy, Fz). Im Gegensatz zu den Dynamometern gibt es die 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausätze nur in der Ausführung mit vertikaler Vorspannung. Dynamometer Vorteile von Dynamometern mit vertikaler Vorspannung Grösserer Messbereich Kaum Grenzen in Bezug auf Baugrösse 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausatz 67
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Messketten Messen Verbinden Verstärken Dynamometer 9119AA2 9139AA 9255C 9257B 3-Komponenten-Kraftmessung 1687B... 1689B... 6-Komponenten-Kraft-Moment-Messung 1677A... 1679A... 5070A... 5080A... 3-Komponenten- Kraftmesselemente-Bausätze 9366CC... 3-Komponenten-Kraftmessung 1687B... 1689B... 6-Komponenten-Kraft-Moment-Messung 1677A... 1679A... Details ab Seite 70 Details ab Seite 74 Details ab Seite 93 68
Erfassen Analysieren Kabel für Verbindung zum Datenerfassungsgerät Datenerfassungsgerät (kundenseitig) Kabel für Verbindung zum Laptop Laptop (kundenseitig) Dynamometer 69
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Produktübersicht Typ Messbereich [kn] 100 10 1 0,1 9119AA2 4 4 9139AA 30 30 Dynamometer 9255C 30 10 9257B 5 5 3-Komponenten- Kraftmesselemente-Bausätze 9366CC... 25 25 1) abhängig von Deckplattengrösse und -material 70
Vorspannrichtung Empfindlichkeit 0 0,1 1 10 100 vertikal horizontal standard (Quarz) hoch (PiezoStar) Seite 72 Druck-/Zugkraft F z 4 Schubkraft F xy 4 72 Druck-/Zugkraft F z 30 Schubkraft F xy 30 72 Druck-/Zugkraft F z 60 Schubkraft F xy 30 73 Dynamometer Druck-/Zugkraft F z 10 Schubkraft F xy 5 73 Druck-/Zugkraft F z 1) Schubkraft F xy 1) 25 60 71
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Produktdetails Technische Daten Typ 9119AA2 9139AA 9255C B Fz L Fx B Fz L Fx B Fz L Fx H H H Fy Fy Fy Messbereich Kalibrierte Messbereiche Eigenfrequenz Empfindlichkeit F x, F y F z F x, F y F z f n(x) f n(y) f n(z) F x F y F z kn kn kn kn khz khz khz pc/n pc/n pc/n 4... 4 4... 4 0... 0,04 0... 0,4 0... 4 0... 0,04 0... 0,4 0... 4 4,3 4,6 4,4 26 13 26 30... 30 30... 30 0... 0,3 0... 3 0... 30 0... 0,3 0... 3 0... 30 2,9 2,9 3,0 8,2 4,2 8,2 30... 30 10... 60 0... 3 0... 30 0... 6 0... 60 2,2 2,2 3,3 7,9 7,9 3,9 Vorspannrichtung horizontal horizontal vertikal Abmessungen L B H mm mm mm 55 80 26 140 190 58 260 260 95 D mm Gewicht kg 1,35 12,9 52 Betriebstemperaturbereich C 20... 70 20... 70 20... 70 Anschluss Fischer-Flansch 9-pol. neg. Fischer-Flansch 9-pol. neg. Fischer-Flansch 9-pol. neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit angeschlossenem Kabel IP67 Messbereit 1) 2) Abhängig von Deckplattengrösse und -material Montiert auf Stahldeckplatte 300 300 35 mm 72
9257B 9366CC... H B Fz L Fx H Fz Fx Fy D Fy 5... 5 5... 10 0... 0,5 0... 5 0... 1 0... 10 25... 25 1) 25... 60 1) 0... 2,5 1) 0... 25 1) 0... 6 1) 0... 60 1) 2,3 2,3 3,5 7,5 7,5 3,7 vertikal 0,2... 1,6 2) 0,2... 1,6 2) 0,2... 1,6 2) 7,8 7,8 3,8 vertikal 170 100 60 90 72 7,3 7 0... 70 20... 70 Fischer-Flansch 9-pol. neg. Fischer-Flansch 9-pol. neg. Dynamometer 73
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Kabel Piezoelektrische Dynamometer und Ladungsverstärker müssen zwingend mit einem hochisolierenden Kabel verbunden werden (Isolationswiderstand >10 13 Ω). Im Gegensatz zu Standard-Koaxialkabeln wird bei hochisolierenden Kabeln der innerste Leiter mit PTFE isoliert. Dadurch wird der Drifteffekt auf ein absolutes Minimum reduziert. Zusätzlich minimiert eine Spezialummantelung aus Graphit den triboelektrischen Effekt. Das Phänomen des triboelektrischen Effekts beschreibt, wie durch das Bewegen eines Kabels minimale Ladungen an der Leiteroberfläche entstehen. Dank der Spezialummantelung aus Graphit ist der Einfluss des triboelektrischen Effekts bei hochisolierenden Kabeln von Kistler allerdings sehr gering (<1 pc bei hohen Vibrationen). Nichtsdestotrotz empfiehlt es sich, bei der Verlegung der Kabel stets darauf zu achten, dass diese möglichst wenig Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind. 1 2 Aufbau eines hochisolierenden Kistler Kabels Die in den folgenden Abschnitten dargelegten Punkte sind besonders bei der Messung von sehr kleinen Kräften im Newtonbereich wichtig. Nebst dem Einsatz von hochisolierenden Kabeln sollte bei der Arbeit mit piezoelektrischen Messketten auch darauf geachtet werden, dass alle Stecker und Buchsen stets sauber sind. Es wird empfohlen, die Schutzkappen auf den Buchsen der Dynamometer bzw. Ladungsverstärker zu belassen, bis diese angeschlossen werden. Beim Trennen bzw. Aufbewahren der Komponenten sollten die Schutzkappen wieder montiert werden. Bei einer allfälligen Verschmutzung können die Stecker mit dem Kistler Reinigungsspray Typ 1003 gereinigt werden. 3 4 5 1 Äussere Isolation 2 Elektr. Abschirmung 3 Spezialummantelung (Graphitleiter) 4 Elektrische Isolation PTFE 5 Inneres Kabel Kabelausführungen Für die Verbindung der Dynamometer bzw. der Summierbox der 3-Komponenten-Kraftmesselemente-Bausätze mit dem Ladungsverstärker ist ein Dynamometerkabel zu verwenden. Die Dynamometerkabel sind hochisolierende und masseisolierte mehradrige Kabel, geschützt mit einem flexiblen, rostfreien Stahlschlauch. Sie sind für Anwendungen mit Temperaturen bis 70 C ausgelegt. Dank des robusten Aufbaus und der Schutzart IP67 auf der Seite des Dynamometers bzw. der Summierbox können sie auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Dynamometerkabel mit rostfreiem Stahlschlauch Die Dynamometerkabel gibt es in zwei Ausführungen als 3- adrige und als 8-adrige Kabel. Die Kabelausführung wird entsprechend der Applikationsanforderungen gewählt. Für die 3-Komponenten-Kraftmessung (F x, F y, F z) ist ein 3-adriges, für die 6-Komponenten-Kraft-Moment-Messung (F x, F y, F z, M x, M y, M z) ein 8-adriges Dynamometerkabel zu verwenden. Bei der 3-Komponenten-Kraftmessung werden die acht Ausgangssignale des Dynamometers gemäss nachfolgender Abbildung in einem 3-adrigen Dynamometerkabel summiert und auf drei Ladungsverstärkerkanäle geführt. Somit stehen die drei Kräfte F x, F y und F z direkt zur Verfügung, ohne dass weitere Berechnungen notwendig sind. 74
Kabelanschlüsse a a F x1+2 F x3+4 F y1+4 F y2+3 F z1 F z2 F z3 F z4 3 LV-Kanäle F x F y F z Kabelstecker dynamometerseitig Für den Anschluss des Kabels am Dynamometer bzw. der Summierbox stehen zwei Stecker-Varianten zur Auswahl. Die Standard-Variante ist der Fischer-Flansch 9-pol. pos. mit einem geraden Stecker-Abgang. Für enge Einbauverhältnisse im Bereich des Kabelanschlusses des Dynamometers steht die Variante Fischer-Flansch Winkel 9-pol. pos. mit einem rechtwinkligen Stecker-Abgang zur Verfügung. Beide Varianten werden mit zwei M4-Schrauben am Dynamometer fixiert und bieten dank einer O-Ring-Dichtung einen guten Schutz vor Staub und Spritzwasser. b b 3-Komponenten-Kraftmessung mit 3-adrigem Dynamometerkabel a Bei der 6-Komponenten-Kraft-Moment-Messung werden die acht Ausgangssignale des Dynamometers mit einem 8-adrigen Dynamometerkabel direkt auf acht Ladungsverstärkerkanäle geführt. Die Berechnung der Kräfte und Momente erfolgt dann analog mit dem 6-Komponenten-Summier-Rechner im Ladungsverstärker. Für das Berechnen der Momente muss der Abstand der Sensoren miteinbezogen werden. F x1+2 F x3+4 F x F y F z 8 LV-Kanäle F x Stecker Fischer-Flansch 9-pol. pos. Stecker Fischer-Flansch Winkel 9-pol. pos. Dynamometer F y1+4 a a a F y2+3 F z1 F z2 F x1+2 F z3 F x3+4 F z4 F y1+4 F y2+3 F z1 F z2 F z3 F z4 F y F x1+2 F z F x3+4 F y1+4 F y2+3 F z1 F F z2 x1+2 F F x3+4 z3 F F y1+4 z4 Kabelstecker ladungsverstärkerseitig Die Dynamometerkabel werden mit dem Stecker Fischer 9-pol. pos. an den Ladungsverstärker angeschlossen. Der robuste Stecker ist auch für Anwendungen in etwas rauerer Umgebung, die einen Staubschutz erfordert, geeignet. F y2+3 F z1 F z2 b b F z3 F z4 b b 6-Komponenten-Kraft-Moment-Messung mit 8-adrigem Dynamometerkabel Stecker Fischer 9-pol. pos. Kabellängen Alle Kistler Kabel sind in Standard- sowie kundenspezifischen Längen verfügbar. Standardlängen werden an Lager gehalten und bieten deshalb den Vorteil von kürzeren Lieferzeiten. 75
Dynamometer und Kraftmesselemente-Bausätze Kabelübersicht Dynamometer Messart Kabel Technische Daten Typ Anschluss 9119AA2 9139AA 9255C 9257B 9366CC 3-Komponenten- Kraftmessung 6-Komponenten- Kraft-Moment-Messung links rechts 1687B Fischer-Flansch 9-pol. pos. Fischer 9-pol. pos. 1689B Fischer-Flansch Winkel 9-pol. pos. Fischer 9-pol. pos. 1677A Fischer-Flansch 9-pol. pos. Fischer 9-pol. pos. 1679A Fischer-Flansch Winkel 9-pol. pos. Fischer 9-pol. pos. 76
Anzahl Leiter Länge Standard [m] Länge kundenspezifisch [m] Material Kabelummantelung Betriebstemperaturbereich [ C] Schutzart nach IEC/EN 60529 min. max. min. max. links rechts 3 5 1 20 Flexibler, rostfreier Stahlschlauch 5 70 IP67 IP65 3 5 1 20 Flexibler, rostfreier Stahlschlauch 5 70 IP67 IP65 8 5 1 20 Flexibler, rostfreier Stahlschlauch 5 70 IP67 IP65 8 5 1 20 Flexibler, rostfreier Stahlschlauch 5 70 IP67 IP65 Dynamometer 77
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Dehnungssensoren Dehnung 79
Dehnungssensoren Innerhalb der Dehnungssensoren bietet Kistler zwei Ausführungen an die sich in der Montageart unterscheiden. Somit steht für viele T&M-Anwendungen der passende Dehnungssensor zur Verfügung. Die folgenden zwei Ausführungen stehen zur Auswahl: Oberflächen-Dehnungssensoren Dehnungsmessdübel Je nach Anwendung eignet sich die eine oder andere Kategorie besser. Die folgende Tabelle zeigt Vorteile und Einschränkungen auf: Oberflächen-Dehnungssensoren Dehnungsmessdübel + Geeignet für die Dehnungsmessung an der Oberfläche einer Struktur + Geringster Montageaufwand durch Befestigung mittels Schraube an der Oberfläche der Struktur + Einfache Nachrüstung an der bestehenden Applikation möglich + Geeignet für die Dehnungsmessung innerhalb einer Struktur + Keine Veränderung der Aussenkontur der Struktur, da Sensor innerhalb der Struktur montiert wird Sensor ist von der Struktur abgesetzt, dies bedingt Freiraum ausserhalb der Struktur für die Montage des Sensors Präzise Sacklochbohrung für Montage notwendig Hohe Spannungen im Bereich der Sacklochbohrung (Dübel muss vorgespannt werden) > Vorsicht bei zyklischer Belastung Detaillierte Erläuterungen zu den zwei Ausführungen sind in den folgenden Abschnitten aufgeführt. 80
Oberflächen-Dehnungssensoren Dehnungsmessdübel Oberflächen-Dehnungssensoren messen die Dehnung (Streckung und Stauchung) an der Aussenfläche einer Struktur und werden sehr einfach mittels einer Montageschraube an die Struktur angebracht. Durch Haftreibung wird die Dehnung der Struktur als Schubkraft an das Messelement übertragen. Die Oberflächen- Dehnungssensoren eigenen sich für die meisten Anwendungsfälle von indirekter Kraftmessung. Deshalb sind sie die Standard- Dehnungssensoren für die indirekte Erfassung von Kräften an Strukturen, welche die direkte Kraftmessung mittels Kraftsensor, bedingt durch die Applikationsanforderungen, nicht zulassen. Die Dehnungsmessdübel messen die Dehnung innerhalb einer Struktur. Für die Montage ist eine zylindrische Bohrung notwendig in welcher der Sensor dann eingesetzt und vorgespannt wird. Innerhalb der Dehnungsmessdübel wird zwischen den folgenden zwei Kategorien unterschieden: Längsmessdübel messen die Dehnung (Streckung und Stauchung) längs entlang des Dübels ε Quermessdübel messen die Dehnung (nur Stauchung) quer zum Dübel ε Oberflächen-Dehnungssensor für die Dehnungsmessung an der Aussenfläche einer Struktur ε Ein typischer Anwendungsfall für die indirekte Kraftmessung mittels Oberflächen-Dehnungssensor ist die C-Presse. Bei dieser Anwendung kann Dank des Oberflächen-Dehnungssensors mit geringem Montageaufwand und kostengünstig eine Kraftüberwachung des Pressprozesses implementiert werden. Sind die absoluten Werte von Interesse so muss der Dehnungssensor, mittels eines Referenzkraftsensors, in der Anwendung kalibriert werden. Oberflächen- Dehnungssensor Die Dehnungsmessdübel werden wie die Oberflächen-Dehnungssensoren mehrheitlich für die indirekte Kraftmessung eingesetzt. Dabei werden die Dehnungsmessdübel vor allem für spezielle Anwendungsfälle verwendet, wenn an der Oberfläche der Struktur keine optimalen Bedingungen zur Messung der Dehnung vorherrschen. Beim Beispiel des Druckbolzens wird der Dehnungsmessdübel dem Oberflächen-Dehnungssensor vorgezogen, da er mittig zum Druckbolzen montiert werden kann und die wirkenden Biegemomente somit keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Zudem lässt dieses Beispiel aus Platzgründen keine Veränderung der Aussenkontur des Druckbolzens zu. Dehnung Strukturdehnung ε Dehnungsmessdübel Indirekte Kraftmessung mittels Oberflächendehnungssensor bei einer C-Presse Druckkraft F Indirekte Kraftmessung mittels Dehnungsmessdübel bei einem Druckbolzen 81
Dehnungssensoren Messketten Messen Verbinden Verstärken Oberflächen-Dehnungssensoren 9232A 9237B 1631C 1641B 1939A 1983AD etc. Ladungsverstärker ohne integrierte Datenerfassung 5015A... 5018A... Dehnungsmessdübel Längsmessdübel Quermessdübel 9243B 9247A 9240AA3 1651C 1923A 1983AB... Kabel im Sensor integriert > Anschluss an Ladungsverstärker mit Kupplung 1721 Ladungsverstärker mit integrierter Datenerfassung 5165A 5171A 1) Details ab Seite 84 Details ab Seite 86 Details ab Seite 93 1) Bedingt eine CompactRIO TM -Plattform von National Instruments > Umsetzung der Datenerfassung kundenseitig in LabVIEW TM 82
Erfassen Analysieren Kabel für Verbindung zum Datenerfassungsgerät Datenerfassungsgerät (kundenseitig) Kabel für Verbindung zum Laptop Laptop (kundenseitig) Ethernetkabel Laptop (kundenseitig) mit LabAmp GUI (Graphical User Interface) Dehnung 83
Oberflächen-Dehnungssensoren Produktdetails Technische Daten Typ 9232A... 9237B... L H B Messbereich µε 600... 600 800... 800 Kalibrierte Messbereiche* µε 0... 300 0... 500 0... 300 Empfindlichkeit* pc/µε 80 34 Abmessungen L B H mm mm mm 40 17 15 51,5 25,4 26,7 Eigenfrequenz f n khz 12 6 Gewicht g 50 165/190 Betriebstemperaturbereich C 0... 70 30... 120 Anschluss KIAG 10 32 neg. KIAG 10 32 neg. Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1631C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AD...) IP65 IP68 Messbereit * Angaben gelten nur für den bei Kistler verwendeten Prüfaufbau. Für eine genaue Kraftmessung muss der Sensor nach der Montage neu kalibriert werden. 84
Dehnungsmessdübel Produktdetails Technische Daten Typ 9240AA3 9243B 9247A D L Messbereich µε 0... 500 1500... 1500 (bei Nennvorspannung) 1400... 1400 (bei Nennvorspannung) Kalibrierte Messbereiche* µε 0... 200 0... 350 nicht kalibriert Empfindlichkeit* pc/µε 9,5 15 8,6 Abmessungen D L mm mm 8 14,5 8 13 M5 0,5 23,7 Vorspannhohlschraube M10 1 Eigenfrequenz f n khz >110 Gewicht g 34 4,8 (ohne Vorspannhohlschraube) 2,5 Betriebstemperaturbereich C 40... 200 40... 200 40... 200 Anschluss KIAG 10 32 pos. M4 0,35 neg. M4 0,35 neg. (mit integriertem Kabel) Schutzart nach IEC/EN 60529 mit Kabel geschraubt (z.b. 1651C...) mit Kabel geschweisst (z.b. 1983AB...) IP64 IP65 IP68 Zubehör Montagewerkzeug Typ 1300A161A100 1385A200 1300A9 Typ 1300A163A300 1385sp100-800 / 1387sp100-800 Kalottendruckstück Typ 9841 Masseisolationsset Typ 9487A Ausreibwerkzeug Typ 1300A21 1300A79 / 1300A79Q01 Gewindebohrer Typ 1357A Dehnung * Angaben gelten nur für den bei Kistler verwendeten Prüfaufbau. Für eine genaue Kraftmessung muss der Sensor nach der Montage neu kalibriert werden. 85
Dehnungssensoren Kabel Piezoelektrische Dehnungssensoren und Ladungsverstärker müssen zwingend mit einem hochisolierenden Kabel verbunden werden (Isolationswiderstand >10 13 Ω). Im Gegensatz zu Standard-Koaxialkabeln wird bei hochisolierenden Kabeln der innerste Leiter mit PTFE isoliert. Dadurch wird der Drifteffekt auf ein absolutes Minimum reduziert. Zusätzlich minimiert eine Spezialummantelung aus Graphit den triboelektrischen Effekt. Beim äussersten Isolationsmantel gibt es verschiedene Ausführungen mit entsprechenden Eigenschaften (siehe Kabelausführungen). 1 2 Kabelausführungen PFA-Kabel (ø2 mm) Die äussere Isolation des hochisolierenden PFA-Kabels besteht aus einem PTFE ähnlichen Material und weist somit eine ausgezeichnete thermische Stabilität sowie eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit auf. Für die meisten Anwendungen bis 200 C reicht das PFA-Kabel vollkommen aus. PFA-Kabel PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht (ø2,6 mm) Das PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht empfiehlt sich besonders für Anwendungen, in denen das Kabel mechanisch beansprucht wird (z.b. vibrationsbedingte Reibung, scharfe Kanten, etc.). Aufbau eines hochisolierenden Kistler Kabels 3 4 5 1 Äussere Isolation 2 Elektr. Abschirmung 3 Spezialummantelung (Graphitleiter) 4 Elektrische Isolation PTFE 5 Inneres Kabel PFA-Kabel mit rostfreiem Stahlgeflecht FKM-Kabel (ø2 mm) Auch das FKM-Kabel zeichnet sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit bzw. Einsatztemperaturen von bis zu 200 C aus. Im Gegensatz zum PFA-Kabel sind die Kabelstecker aber mit vulkanisierten Steckern bestückt. Durch das Verschweissen von Kabel- und Sensorstecker lassen sich IP68-dichte Lösungen erreichen. Nebst dem Einsatz von hochisolierenden Kabeln sollte bei der Arbeit mit piezoelektrischen Messketten auch darauf geachtet werden, dass alle Stecker und Buchsen stets sauber sind. Es wird empfohlen, die Schutzkappen auf den Buchsen der Dehnungssensoren bzw. Ladungsverstärker zu belassen, bis diese angeschlossen werden. Beim Trennen bzw. Aufbewahren der Komponenten sollten die Schutzkappen wieder montiert werden. Bei einer allfälligen Verschmutzung können die Stecker mit dem Kistler Reinigungsspray Typ 1003 gereinigt werden. FKM-Kabel Kabellängen Alle Kistler Kabel sind in Standard- sowie kundenspezifischen Längen verfügbar. Standardlängen werden an Lager gehalten und bieten deshalb den Vorteil von kürzeren Lieferzeiten. Das Phänomen des triboelektrischen Effekts beschreibt, wie durch das Bewegen eines Kabels minimale Ladungen an der Leiteroberfläche entstehen. Dank der Spezialummantelung aus Graphit ist der Einfluss des triboelektrischen Effekts bei hochisolierenden Kabeln von Kistler allerdings sehr gering (<1 pc bei hohen Vibrationen). Nichtsdestotrotz empfiehlt es sich, bei der Verlegung der Kabel stets darauf zu achten, dass diese möglichst wenig Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt sind. 86
Kabelanschlüsse Kabelstecker sensorseitig Für den Anschluss der Kabel an den Sensor ist zwischen den Oberflächen-Dehnungssensoren und den Dehnungsmessdübeln zu unterscheiden. Es stehen für beide Sensorkategorien zwei Kabelstecker zur Verfügung: die Stecker KIAG 10-32 pos. und KIAG 10-32 pos. int. für die Oberflächen-Dehnungssensoren und die Stecker M4x0,35 pos. und M4x0,35 pos. int. für die Dehnungsmessdübel. Kabel mit einem KIAG 10-32 pos. bzw. M4x0,35 pos. Stecker können dank der drehbaren Überwurfmutter schnell und ohne Mitdrehen des gesamten Kabels an- und abgeschraubt werden. Dies ist besonders bei Anwendungen von Vorteil, bei denen das Kabel öfters entfernt bzw. wieder angebracht werden muss. Kabelstecker ladungsverstärkerseitig Für den direkten Anschluss des Kabels an den Ladungsverstärker wird zwingend ein BNC pos. Kabelstecker benötigt. Die meisten Kabel sind in dieser Ausführung erhältlich. Für gewisse Anwendungen, bei denen das Kabel durch kleine Öffnungen verlegt werden muss, sind diese Kabel jedoch nicht geeignet. Hierfür sind Kabel mit einem KIAG 10-32 pos. (int.) Kabelstecker beidseitig bzw. einem Stecker M4x0,35 pos. (int.) sensorseitig und einem Stecker KIAG 10-32 pos. (int.) ladungsverstärkerseitig besser geeignet. Bedingt durch den kleineren Durchmesser von KIAG 10-32 Steckern (ø6 mm) und M4x0,35 Steckern (ø5 mm), verglichen mit BNC-Steckern (ø15 mm), lassen sich diese durch kleinere Öffnungen verlegen. Anschliessend kann der KIAG 10-32 Kabelstecker mit einer Kupplung Typ 1721 an die BNC-Buchse des Ladungsverstärkers angeschlossen werden. Kabel mit Anschluss KIAG 10-32 pos. beidseitig KIAG 10-32 pos. Stecker mit drehbarer Überwurfmutter Der KIAG 10-32 pos. int. bzw. M4x0,35 pos. int. Kabelstecker verfügt über ein integriertes Gewinde, wodurch sich das Kabel beim An- und Abschrauben auch gleich mitdreht. Dieser Anschluss ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kabelstecker an den Sensor verschweisst werden muss. Bei PFA-Kabeln bietet die Verschweissung des Kabelsteckers mit dem Sensor einen guten Schutz gegen das Loslösen des Kabels wenn die Messkette starken Vibrationen ausgesetzt ist. Wenn eine hohe Dichtigkeit (IP68) gefordert wird, so ist das FKM-Kabel vorzuziehen. Wenn Sie eine Verschweissung des Steckers mit dem Sensor wünschen, geben Sie dies bitte bei der Bestellung an. Kupplung Typ 1721 (KIAG 10-32 neg. zu BNC pos.) Dehnung KIAG 10-32 pos. int. Stecker mit integriertem Gewinde 87
Dehnungssensoren Kabelübersicht Sensorfamilie Kabel Technische Daten Typ Anschluss Länge Standard [m] links rechts 1631C KIAG 10-32 pos. BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 3 / 5 / 10 / 20 1641B KIAG 10-32 pos. 90 BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 5 1939A KIAG 10-32 pos. int. BNC pos. 1 / 2 / 3 1635C KIAG 10-32 pos. KIAG 10-32 pos. 0,5 / 1 / 2 / 3 / 5 / 10 1957A KIAG 10-32 pos. KIAG 10-32 pos. 1 9232A... 9237B... 1969A KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 1 1967A KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 2 / 3 1983AD KIAG 10-32 pos. int. BNC pos. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3 / 5 1983AC KIAG 10-32 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3 / 5 1651C M4x0,35 pos. BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 5 / 10 1923A M4x0,35 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 9243B 9247A 1983AB M4x0,35 pos. int. KIAG 10-32 pos. int. 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 3 / 5 9240AA3 1721 Kabel ist im Sensor integriert > Anschluss an Ladungsverstärker mit Kupplung 1721 (KIAG 10-32 neg. BNC pos.) 88
Länge kundenspezifisch [m] Material Kabelummantelung Betriebstemperaturbereich [ C] Kabel an Sensor schweissbar Schutzart nach IEC/EN 60529 Bemerkungen min. max. min. max. ja nein links rechts 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,1 100 PFA 55 200 IP40 IP40 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP65 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht 55 200 IP65 IP65 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht 0,1 10 PFA mit rostfreiem Stahlgeflecht masseisoliert 55 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 55 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 IP40 > Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 IP65 > Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst 0,1 100 PFA 55 200 IP65 IP40 Standardkabel für die meisten Anwendungen 0,1 100 PFA 55 200 IP65 > Anschluss verschraubt IP67 > Anschluss verschweisst 0,2 20 FKM 20 200 IP65 >Anschluss verschraubt IP68 > Anschluss verschweisst IP65 IP65 IP65 IP65 Dehnung 89
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Kundenspezifische Sensoren Kundenspezifische Sensoren 91
Kundenspezifische Sensoren Haben Sie eine Applikation, für die Sie keinen passenden Kraftbzw. Dehnungssensor aus dem T&M-Produktportfolio finden? Greifen Sie auf die langjährige Erfahrung von Kistler in der Konstruktion und Entwicklung von kundenspezifischen Sensoren zurück und lassen Sie einen Sensor ganz nach Ihren Vorgaben entwickeln. Die nachfolgenden Beispiele zeigen kundenspezifische Sensorentwicklungen, welche von der Entwicklung über die Konstruktion und Produktion bis zur Kalibrierung in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden durch Kistler umgesetzt wurden. Dynamometer zur Messung von Schleifkräften Nur geschliffene Zahnräder ermöglichen eine sehr hohe Laufruhe. Der Schleifprozess ist sehr zeitintensiv. Im Rahmen eines Forschungsprojektes soll die grosse Anzahl Bearbeitungsparameter optimiert werden für ein effizientes Schleifen. Messung der Vorspannkraft einer Schraube Bei Schraubverbindungen ist der Zusammenhang von Vorspannkraft und Anziehdrehmoment entscheidend für eine zuverlässige Montage und eine hohe Sicherheit gegen Lösen. Schraube Auflagescheibe Kraftsensor Zentrierring (Kunststoff) Zahnrad mit Schleifscheibe Dynamometer Messaufbau mit Schraube, Auflagescheibe und Kraftsensor Herausforderung Hohe Überlastfestigkeit Einfache Handhabung Langlebigkeit Lösung Gehärtete Auflagescheibe auf 1-Komponenten-Kraftsensor und Zentrierung mit Kunststoffring Herausforderung Sehr weiter Kraftmessbereich Hohe Eigenfrequenz Sehr aggressive Medien Lösung Vier 3-Komponenten-Kraftsensoren Druckluftpolster gegen Eindringen von Verschmutzung Kundenspezifische Kalibrierung für weiten Messbereich Bitte kontaktieren Sie Ihren lokalen Kistler Vertrieb für weitere Informationen und Beratung rund um die kundenspezifische Sensorentwicklung. 92
Ladungsverstärker Ladungsverstärker 93
Ladungsverstärker Die von einem piezoelektrischen Sensor erzeugte Ladung ist eine der Messung nur schwer zugängliche Grösse. Dem Sensor wird deshalb eine Elektronik nachgeschaltet, die das Ladungssignal in ein Spannungssignal wandelt. Ein sogenannter Ladungsverstärker wandelt die negative Ladung, die der piezoelektrische Sensor unter Belastung einer Kraft abgibt, in eine positive Spannung proportional zur Ladung bzw. wirkenden Kraft. Kraftsensoren haben prinzipbedingt eine negative Empfindlichkeit und geben unter Belastung eine negative Ladung ab. Die folgende Abbildung zeigt das Schaltbild eines Ladungsverstärkers mit seinen drei wesentlichen Bestandteilen: Bereichskondensator C r Zeitkonstantenwiderstand R t Reset-/Measure-Schalter Selektionskriterien für Ladungsverstärker Über die Wahl eines für die Applikation passenden Ladungsverstärkers entscheiden diverse Kriterien. Die Produktübersicht auf Seite 100 zeigt eine Auswahl an geeigneten Ladungsverstärkern mit allen Kriterien. Die wichtigsten Selektionskriterien für die Wahl eines geeigneten Ladungsverstärkers sind die Folgenden: Anzahl Kanäle Messbereich Messart Frequenzbereich In den nachfolgenden Abschnitten werden die zwei Selektionskriterien "Messart" und "Frequenzbereich" genauer erläutert. Messart Quasi-statische versus dynamische Messung In der piezoelektrischen Messtechnik wird zwischen quasistatischer und dynamischer Messung unterschieden. Die meisten Ladungsverstärker unterstützen beide Messarten, es gibt jedoch Verstärker, welche nur eine der zwei Messarten zulassen. Aus diesem Grund ist es entscheidend, sich im Klaren darüber zu sein, welche Messart für die spezifische Messaufgabe anzuwenden ist. Schaltbild Ladungsverstärker Mit dem Bereichskondensator C r wird der Messbereich des Ladungsverstärkers eingestellt, indem zwischen unterschiedlichen Bereichskondensatoren umgeschaltet wird. Das Umschalten der Messbereiche ermöglicht das Messen über mehrere Dekaden mit hervorragendem Signal-Rausch-Verhältnis. So ist es zum Beispiel möglich, mit demselben Kraftsensor sowohl Kräfte im Bereich von 100 kn als auch im Bereich von 100 N nur durch Umschaltung des Messbereichs zu messen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dabei in beiden Bereichen ausgezeichnet. Die Messart bestimmt das Verhalten des Ladungsverstärkers im unteren Frequenzbereich und wird durch einen wesentlichen Bestandteil des Ladungsverstärkers beeinflusst den Zeitkonstantenwiderstand bzw. die Zeitkonstante. Die Zeitkonstante bestimmt die Grenzfrequenz der Hochpass-Charakteristik des Ladungsverstärkers und dadurch die Messart. Zeitkonstante Folgende Tabelle zeigt den Einfluss der Messart bzw. der Zeitkonstante auf das Verhalten des Ladungsverstärkers im Frequenzund Zeitbereich. Die Zeitkonstante bestimmt die Grenzfrequenz der Hochpass- Charakteristik bzw. das Verhalten des Ladungsverstärkers im unteren Frequenzbereich. Der Zeitkonstantenwiderstand R t definiert die Zeitkonstante des Ladungsverstärkers. Im Frequenzbereich betrachtet bestimmt die Zeitkonstante die Grenzfrequenz der Hochpass-Charakteristik des Ladungsverstärkers. Durch Umschalten zwischen unterschiedlichen Zeitkonstantenwiderständen kann die Hochpass-Charakteristik verändert werden. Mit dem Reset-/Measure-Schalter wird der Start der Messung gesteuert bzw. der Nullpunkt gesetzt. 94
Quasi-statische Messung Dynamische Messung Zeitkonstante "Long" (kein Zeitkonstantenwiderstand) Verhalten ist vergleichbar mit dem DC-Modus beim KO Zeitkonstante "Short" (mit Zeitkonstantenwiderstand) Verhalten ist vergleichbar mit dem AC-Modus beim KO Verhalten im Frequenzbereich: Verhalten im Frequenzbereich: Verhalten im Zeitbereich: Verhalten im Zeitbereich: > Prinzipbedingte Drift wird bei längerer Messzeit sichtbar > keine Drift wegen Zeitkonstante Für Applikationen, in denen eine statische Kraft über eine längere Zeit gemessen werden muss, wird somit ein Ladungsverstärker benötigt, welcher die quasi-statische Messung (Zeitkonstante "Long") unterstützt. Ladungsverstärker 95
Reset/Measure Mit der piezoelektrischen Messtechnik ist die Messung mit absolutem Nullpunktbezug prinzipbedingt nicht möglich. Der Nullpunkt wird bei der quasi-statischen Messung mit dem Start der Messung festgelegt, wobei der Start durch den Reset/ Measure-Schalter gesteuert wird. Bei der dynamischen Messung hingegen kann kein Nullpunkt gesetzt werden, da bedingt durch die Zeitkonstante ohne Nullpunktbezug gemessen wird. Die nachfolgende Tabelle zeigt das Verhalten des Ladungsverstärkers bezüglich Reset/Measure-Schalter für die zwei Messarten. Quasi-statische Messung Dynamische Messung Nullpunkt wird beim Start der Messung gesetzt Start der Messung wird durch Reset-/Measure-Schalter gesteuert Messung ohne Nullpunktbezug, bedingt durch die Zeitkonstante Kein Reset-/Measure-Signal notwendig bzw. der Ladungsverstärker wird immer im Measure-Modus betrieben Verhalten im Zeitbereich: Verhalten im Zeitbereich: 96
Frequenzbereich Der Frequenzbereich eines Ladungsverstärkers wird definiert durch die untere und obere Grenzfrequenz. Dabei wird die untere Grenzfrequenz durch die Messart (quasi-statisch oder dynamisch) festgelegt, welche die Hochpass-Charakteristik bestimmt. Die obere Grenzfrequenz wird durch die Tiefpass-Charakteristik festgelegt, welche jeder Ladungsverstärker systembedingt aufweist. Damit ist die obere Grenzfrequenz nur abhängig vom Ladungsverstärkerdesign, nicht aber von der Messart. In der Kraftmesstechnik gibt es praktisch keine Anwendungsfälle, bei denen die obere Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers ein limitierender Faktor ist. Bei den meisten Kraftanwendungen liegt die Eigenfrequenz im Bereich von 10 khz. Somit reicht eine obere Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers im Bereich von 20 bis 40 khz für die meisten Anwendungen vollkommen aus. Frequenzbereich Ladungsverstärker Ladungsverstärker 97
Messsignale und geeignete Messart Die nachfolgende Tabelle zeigt für einige typische Beispiele von Messsignalen aus der Kraftmesstechnik das Verhalten des Ladungsverstärkers für die quasi-statische und dynamische Messung. Die Beispiele dienen als Unterstützung, um für die spezifische Messaufgabe die geeignete Messart zu wählen. Ausgang Ladungsverstärker Physikalisches Kraftsignal Quasi-statische Messung > Zeitkonstante "Long" Dynamische Messung > Zeitkonstante "Short" Kleines Kraftsignal mit grosser statischer Vorlast (F abs >> F) F abs ΔF ΔF t ΔF t t Nullpunkt abhängig vom Zeitpunkt des «Measure» Signals Schneller Kraftanstieg auf statisches Level F max F max F max 37% t R t t R t t R τ t F max Schneller Kraftimpuls Von Interesse sind: Anstiegszeit Spitzenwert Kurvenverlauf F max F max (abhängig von der Dynamik des Impuls) t R t t R t t R t 98
Physikalisches Kraftsignal Ausgang Ladungsverstärker Quasi-statische Messung > Zeitkonstante "Long" Dynamische Messung > Zeitkonstante "Short" Lange Messzeit und Temperaturänderung F abs ΔF Anschlag Ladungsverstärker ΔF (thermisch bedingter Nullpunktdrift des Sensors) ΔF t t t Trapezförmiges Kraftsignal F max F max F max (kurze Zeitkonstante beeinflusst Signalform) t t t Ladungsverstärker 99
Ladungsverstärker Produktübersicht Typ Geeignet für Anzahl Kanäle Messbereich 1-Komponenten-Sensoren 2-Komponenten-Sensoren 3-Komponenten-Sensoren Dynamometer Dehnungssensoren 1 mn 1 N 1 kn 1 MN 5015A 1 5018A 1 5070A 4 / 8 5080A 1... 8 5165A 1 / 4 5171A 1 / 4 5995A 1 1) 2) Siehe Abschnitt "Messart Quasi-statische versus dynamische Messung" auf Seite 94 Siehe Abschnitt "Frequenzbereich" auf Seite 97 100
Messart 1) Frequenzbereich 2) Bedienung Datennutzung Zusatzinformationen Quasi-statisch Dynamisch 0 Hz (quasi-statisch) 0,1 Hz 10 khz 100 khz Display und Drehknopf/ Folientasten PC LabVIEW TM (Virtual Instrument-Treiber) Analogausgang Integrierte Datenerfassung Seite Umfangreiche Statistikfunktionen (Anzeige auf Display) 102 Sehr rauscharm 102 Guter Allround-Ladungsverstärker 103 Sehr rauscharm 103 Konfiguration und Steuerung mittels Standard-Webbrowser Flexible Filtermöglichkeiten Flexible 2-Punkt-Skalierung für Analogausgänge Zwei Ethernet-Schnittstellen mit integrierter Switch-Funktionalität Für dynamische Anwendungen Ladungsverstärker-Modul für National Instruments CompactRIO -Plattform Bedingt kundenseitig ein CompactRIO -Chassis LabVIEW -Treiber wird mitgeliefert, dies ermöglicht dem Kunden das Erstellen von massgeschneiderten Lösungen in LabVIEW Batteriebetriebener Hand-Ladungsverstärker 103 103 103 Ladungsverstärker 101
Ladungsverstärker Produktdetails Technische Daten Typ 5015A... 5018A... Anzahl Kanäle 1 1 Ladungseingang Messbereiche pc ±2... 2 200 000 ±2... 2 200 000 Frequenzbereich ( 3dB) Hz 0... 200 000 0... 200 000 Zeitkonstanten Steckertyp BNC neg. Fischer 9-pol. neg. Short / Medium / Long Short / Medium / Long Piezotron -Eingang (IEPE) Analogausgang Analoger 6-Komponenten- Summier-Rechner Bedienung Sensor-Versorgungsspannung Sensor-Versorgungsstrom Frequenzbereich ( 3dB) Zeitkonstanten TEDS-Unterstützung Steckertyp Ausgangsbereich Steckertyp Ausgangsbereich Steckertyp Display und Drehknopf/Folientasten PC V ma Hz V V o 20 4 0... 200 000 Short / Medium / Long BNC neg. ±2 / ±2,5 / ±5 / ±10 BNC neg. o 30 1... 15 0... 200 000 Short / Medium / Long BNC neg. ±10 / ±10 mit Offset 8 BNC neg. Schnittstellen LabVIEW TM (Virtual Instrument Treiber) RS-232C IEEE-488 USB 2.0 Ethernet o Integrierte Datenerfassung Gehäuse/Einbau Tischgerät 19"-Rack-Einschub o o o o Schalttafelmontage Modul f. Einbau in CompactRIO TM -Chassis Handgerät Spannungsversorgung Netzspannung (115/230 VAC) DC Spannung Spannungsbereich VDC Betriebstemperaturbereich C 0... 50 0... 50 Schutzart (IEC/EN 60529) IP40 IP40 Aussenabmessungen BxHxT mm 105x142x253 105x142x253 Legende: = Standard o = Option/wählbar 102
5070A... 5080A... 5165A... 5171A... 5995A 4 / 8 1... 8 1 / 4 1 / 4 1 wahlw.: ±200... 200 000, ±600... 600 000 0... 45 000 Short / Long ±2 2 200 000 0 200 000 Short / Medium / Long ±100 1 000 000 0,1...100 000 Short ±1 000 1 000 000 0... 20 000 1) 0... 2 000 2) Long ±200 200 000 0... 10 000 Long o o ±10 D-Sub 15-pol. neg. o ±10 D-Sub 15-pol. neg. o o 30 1... 15 0 200 000 Short / Medium / Long BNC neg. ±10 / ±10 mit Offset -8 BNC neg. + D-Sub 15-pol. neg. ±10 D-Sub 15-pol. neg. (PC-Software) o o o o o o o o 11... 36 22 4 / 10 0,1... 100 000 Short BNC neg. ±10 (flex. 2-Punkt-Skalierung) BNC neg. (PC-Software und GUI via Standard-Webbrowser) (2x RJ45 mit integr. Switch-Funktionalität) (Abtastr. 200 ksps pro Kanal, einstellbar) o (Trägerplatte f. Montage in 19"-Rack erhältlich) o (Steckernetzteil erhältl.) 18... 30 3) (Abtastr. 50,8 ksps pro Kanal, einstellbar) ±2 Bananen-Buchsen (ø4 mm) 9V Batterie 0... 50 0... 50 0... 60 40... 70 0... 50 IP40 IP40 IP20 IP40 IP50 248x142x253 497x141x300 218x50x223 23x88x88 80x172x35 1) 2) 3) Bereich 10 000 pc Bereich >10 000 pc Verarbeitung der digitalisierten Daten wird kundenseitig in LabVIEW TM umgesetzt. LabVIEW -Treiber wird mitgeliefert, dies ermöglicht dem Kunden das Erstellen von massgeschneiderten Lösungen in LabVIEW Ladungsverstärker 103
Ladungsverstärker Produktdetails Zubehör Technische Daten Typ 5015A... 5018A... Zubehör RS-232C Kabel Länge Typ m 1200A27 5 1200A27 5 USB-Kabel 4) Länge Typ m 5.590.303 1,8 Ethernet-Kabel Länge Typ m Adapterkabel für Analogausgänge / 3-Komponenten-Kraftmessung Länge standard Länge kundenspezifisch Steckertyp links Steckertyp rechts Typ m m Adapterkabel für Analogausgänge / 6-Komponenten-Kraft-Momentmessung > 6 Kanäle: F x, F y, F z, M x, M y, M z Länge kundenspezifisch Steckertyp links Steckertyp rechts Typ m Adapterkabel für Analogausgänge / 8 Einzelkanäle > 8 Ausgangskanäle des Dynamometers oder 8 Kanäle von Einzelsensoren Länge standard Länge kundenspezifisch Steckertyp links Steckertyp rechts Typ m m Trägerplatte für Montage in 19"-Rack Typ Blindplatte für leeren 19"-Platz Typ Steckernetzteil 24 V Typ 4) 5) Im Lieferumfang enthalten Nur in Kombination mit dem analogen 6-Komponenten-Summier-Rechner zu verwenden 104
5070A... 5080A... 5165A... 5171A... 5995A 1200A27 5 Z20784A... 0,5 0,5... 30 D-Sub 15-pol. pos. 4x BNC neg. Z16287... 4) 0,5... 30 D-Sub 15-pol. pos. 6x BNC pos. Z20072A... 0,5 0,5... 30 D-Sub 15-pol. pos. 8x BNC neg. 1200A27 5 5.590.303 1,8 Z16287... 5) 0,5... 30 D-Sub 15-pol. pos. 6x BNC pos. 55117964 2 5748A1 5748A2 5779A2 Ladungsverstärker 105
Zubehör Kabel Kupplungen Typ Anschluss Typ Anschluss links rechts links rechts 1701 BNC neg. BNC neg. 1743 BNC pos. 2 x BNC neg. 1705 BNC pos. M4x0,35 neg. 1721 BNC pos. KIAG 10-32 neg. 1749 KIAG 10-32 pos. 2 x KIAG 10-32 neg. 1729A KIAG 10-32 neg. KIAG 10-32 neg. 1700A29 KIAG 10-32 neg. KIAG 10-32 pos. int. 1733 BNC pos. Bananen- Buchsen 1703 BNC neg. BNC neg. Kunststoffschutzkappen Verteilkasten hochisolierend Typ Zur Verwendung für Eingang Ausgang Bemerkungen 1851 1861A 1891 BNC neg. BNC pos. KIAG 10-32 neg. 5405A 5407A Fischer 9-pol. neg. Fischer 9-pol. neg. 8 x BNC neg. 3 x BNC neg. 8 Einzelkanäle 3 Kanäle summiert: F x, F y, F z Die Kunststoffschutzkappen schützen die Stecker und Buchsen zuverlässig vor Verschmutzung. Es wird empfohlen bei Nichtgebrauch bzw. Aufbewahrung der Sensoren und Ladungsverstärker die Anschlüsse stets mit Schutzkappen zu schützen. Mit den Verteilkästen können die Kanäle von Sensoren mit Fischer 9-pol. pos. Kabelstecker auf einzelne BNC-Buchsen verteilt werden: Typ 5405A führt alle 8 Einzelkanäle auf separate BNC-Buchsen Typ 5407A führt die 8 Kanäle summiert auf 3 BNC-Buchsen (F x, F y, F z) BNC-Kabel hochisolierend Typ Stecker Länge standard [m] 1601B... Länge kundenspezifisch [m] Material Kabelummantelung Betriebstemperaturbereich [ C] Schutzart nach IEC/EN 60529 links rechts min. max. min. max. links rechts BNC pos. BNC pos. 0,5 / 1 / 2 / 5 / 10 / 20 0,1 50 PVC 25 70 IP40 IP40 106
Zubehör Elektronik Ladungsteiler Technische Daten Typ 5361A... Teilungsverhältnis n wahlweise: 2:1 / 5:1 / 10:1 / 20:1 / 100:1 / 200:1 / 1000:1 Isolationswiderstand Ω >10 14 Ladungseingang BNC neg. Ladungsausgang BNC pos. Abmessungen (BxHxT) mm 57x29x35 (ohne Stecker) Bei Kraftsensoren mit sehr grossem Kraftbereich kann die durch den Sensor abgegebene Ladung, die vom Ladungsverstärkereingang maximal zulässige Ladung, überschreiten. In solchen Fällen kann ein Ladungsteiler zwischen den Sensor und den Ladungsverstärker geschaltet und somit die am Verstärker anliegende Ladung reduziert werden. Die Ladung wird um das Teilungsverhältnis n reduziert. Isolations-Prüfgerät Technische Daten Typ 5493 Anzahl Kanäle 1 Signaleingang BNC neg. Messbereich Ω 10 11 4 10 13 Messspannung V 5 Max. Parallelkapazität nf 10 (entspricht Kabellänge 100 m) Spannungsversorgung 9 V Batterie Bedienung Display und Folientaste Gehäuse Handgerät Schutzart (IEC/EN 60529) IP50 Abmessungen (BxHxT) mm 80x150x35 (ohne Stecker) Isolations-Prüfgerät für die Isolationskontrolle von piezoelektrischen Messketten. Misst die Isolation von Sensoren, Ladungsverstärkern und Kabeln. 107
108
Service 109 Service
3 2 10 Service Kalibrierung Sensoren und Messgeräte müssen regelmässig kalibriert werden, da sich deren Eigenschaften und damit die Messunsicherheiten durch Gebrauch, Alterung und Umwelteinflüsse mit der Zeit verändern können. Massgeschneiderte Kalibrierservices von Kistler sorgen für präzise Messungen. Die meisten piezoelektrischen Kraft- und Dehnungssensoren von Kistler werden bereits während der Endabnahme im Werk kalibriert. Dabei sind die bei Kistler zum Kalibrieren eingesetzten Messmittel rückführbar auf nationale Normale und unterliegen einer international einheitlichen Qualitätssicherung. Kalibrierzertifikate dokumentieren die bei der Kalibrierung gemessenen Werte und die Kalibrierbedingungen. Grundlagen der Kalibrierung Bei der Kalibrierung wird der Zusammenhang zwischen einer bekannten Eingangsgrösse (z.b. N) und einer gemessenen Ausgangsgrösse (z.b. pc, V) bestimmt. Dabei ist das Verfahren (z.b. kontinuierlich oder stufenweise) genau definiert und die Bedingungen, unter welchen die Kalibrierung durchgeführt wird, sind vorgegeben (z.b. Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit). Dadurch ist gewährleistet, dass die Kalibrierung reproduzierbar die gleichen Ergebnisse liefert. NMI National Calibration Service Calibration Laboratories Kistler Production Kalibrierhierarchie Kistler Service Measurement application Customer Laboratory National Standards National Metrological Institute is a member of the CIPM MRA Transfer Standards Calibration laboratories accredited by the Swiss Accreditation Service e.g. Kistler's 'SCS-049' Working Standards Reference equipment used in Kistler and customer calibration laboratories is calibrated in Kistler's Laboratory 'SCS-049' Measurement Equipment Calibrated measurement equipment Kalibrierverfahren Der zu kalibrierende Sensor (Prüfling) wird durch den Vergleich seines Ausgangssignals mit dem Signal eines Referenzsensors kalibriert. Die Empfindlichkeit des Referenzsensors ist genau bekannt und gemäss der Kalibrierhierarchie rückverfolgbar bis zum nationalen Normal. 4 1 5 6 7 8 calibrated 09 10 11 12 9 12 11 Bekannte Eingangsgrösse Kalibriergegenstand (Sensor) gemessene Ausgangsgrösse Kistler wendet für die Kalibrierung piezoelektrischer Sensoren das kontinuierliche Verfahren an. Dabei wird die Belastung in einem definierten Zeitraum kontinuierlich auf den gewünschten Wert erhöht und anschliessend in der gleichen Zeit wieder auf Null reduziert. Kalibrierung Bestimmung des Zusammenhangs zwischen bekannter Eingangsgrösse und gemessener Ausgangsgrösse Die resultierende, nie exakt lineare Kennlinie wird durch eine sogenannte Beste Gerade, verlaufend durch den Nullpunkt, angenähert. Die Steigung der Gerade entspricht der Empfindlichkeit des Sensors im kalibrierten Messbereich. Verlässliche Messungen durch Rückführbarkeit Damit international nach den gleichen Qualitätsmassstäben gearbeitet werden kann, ist es notwendig, dass die dabei verwendeten Messmittel einer einheitlichen Qualitätssicherung unterliegen. Dies erfordert die Rückführbarkeit aller eingesetzten Messeinrichtungen auf nationale Messnormale. Das bedeutet, dass bei der Kalibrierung eines Messgerätes oder -systems dessen Messergebnisse mit dem Messergebnis eines höherrangigen Messnormals verglichen werden. So entsteht eine Kalibrierhierarchie mit dem nationalen Messnormal an der Spitze, welches sich bei dem Nationalen Metrologie Institut (NMI) befindet. Alle bei Kistler zur Kalibrierung eingesetzten Messmittel sind rückführbar auf nationale Normale. Kraft F Referenzsensor Prüfling N pc Referenzsensor 0 10 30 s Prüfling 0 10 30 s Zielwert Zielwert Kontinuierliche Kalibrierung mittels Referenzsensor Zeit Zeit Prüfling [pc] «Beste Gerade» Empfindlichkeit [pc/n] Referenzsensor [N] 110
Kalibrierservice von Kistler Kistler bietet seinen Kunden einen umfassenden, weltweiten Kalibrierservice an. Dieser stellt sicher, dass Kistler Sensoren und Systeme ein ganzes Geräteleben lang vollständig funktionsfähig sind und bleiben die Grundlage für präzise und zuverlässige Messergebnisse. Der Kalibrierservice von Kistler umfasst die folgenden Kalibrierungen. EOL-Kalibrierung Die EOL-Kalibrierung (End-of-Line) wird im Kistler Production Center als Standard-Kalibrierung bei der Endabnahme vor der Auslieferung mit jedem Sensor durchgeführt. Dabei werden die Ergebnisse der Kalibrierung für jeden einzelnen Sensor abgelegt. Bei den meisten Sensoren wird bei der Auslieferung ein Kalibrierschein beigelegt. Akkreditierte Kalibrierung Die akkreditierte Kalibrierung nach ISO/IEC 17025 wird weltweit in ausgewählten Kistler Tech Centers und Tech Offices angeboten. Die Kalibrierprozesse sind nach international anerkannten Richtlinien ausgelegt und auditiert durch eine Akkreditierungsstelle. Die akkreditierte Kalibrierung wird typischerweise für Transfer- und Gebrauchsnormale angewendet. Wird eine akkreditierte Kalibrierung gewünscht, so muss dies bei der Bestellung des Sensors explizit angegeben werden. Die akkreditierte Kalibrierung wird nicht für alle Sensoren angeboten und zudem sind die kalibrierbaren Messbereiche gegenüber der Standard-Kalibrierung eingeschränkt. Vor-Ort-Kalibrierung Bei der Vor-Ort-Kalibrierung wird der Sensor in der Anwendung beim Kunden durch einen Kistler Servicetechniker kalibriert. Für Kraftsensoren wird diese Art der Kalibrierung oft angewendet, da bei den meisten Kraftanwendungen der Sensor nach dem Einbau in die Struktur kalibriert werden muss. Wenn Sie eine Vor-Ort-Kalibrierung wünschen, kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Kistler Vertrieb. Kundenspezifische Kalibrierung Bei der kundenspezifischen Kalibrierung wird der Sensor in einem der weltweiten Kistler Tech Centers oder Tech Offices nach Vorgaben des Kunden kalibriert. Dies ermöglicht dem Kunden, den Sensor für die Einbausituation wie sie in der Applikation anzutreffen ist kalibrieren zu lassen. Die kundenspezifische Kalibrierung wird meistens bei Sensoren angewendet, welche von Kistler nach Spezifikationen des Kunden entwickelt und konstruiert wurden. Dadurch kann die Kalibrierung optimal für die Anwendung bzw. Einbausituation des kundenspezifischen Sensors ausgelegt werden. Neben kundenspezifischen Sensorentwicklungen eignet sich diese Art der Kalibrierung auch für Kraftmessplatten, welche der Kunde basierend auf einem Bausatz von Kistler im Eigenbau gefertigt hat. Für kundenspezifische Kalibrierungen wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Kistler Vertrieb. Wenn Sie für ihren Sensor eine akkreditierte Kalibrierung wünschen, kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Kistler Vertrieb. Nachkalibrierung Um die Messgenauigkeit der Kistler Sensoren und Geräte über die gesamte Lebensdauer zu garantieren und höchste Qualitätssicherungskriterien zu erfüllen, wird eine regelmässige Nachkalibrierung empfohlen. Für die Nachkalibrierung stehen die folgenden zwei Optionen zur Wahl: Standard-Kalibrierung, basierend auf der EOL-Kalibrierung Akkreditierte Kalibrierung Kistler bietet in seinen Tech Centers und Tech Offices weltweit für die meisten Sensoren eine Nachkalibrierung an. Unser Vertrieb berät Sie gerne in Sachen Nachkalibrierung und gibt Auskunft über die Kalibrierdienstleistungen In Ihrer Nähe. 3-Komponenten-Kraft-Kalibrierung 111 Service
Beratung Kistler hat langjährige Erfahrung in der Integration von Kraftund Dehnungssensoren in kundenspezifische Applikationen. Nutzen Sie das Know-How unserer Experten und lassen Sie sich beraten. In einer Beratung lernen Sie, wie der Sensor am besten in die Anwendung einzubauen ist, um verlässliche und genaue Messergebnisse zu erhalten. Die folgenden Beispiele zeigen Kundenprojekte, bei denen Kistler bei der Integration der Sensoren in die Applikation beratend zur Seite stand. Reibkraftmessung an Eisenbahnbremse Die maximalen Bremskräfte bei Eisenbahnbremsen sind entscheidend für eine hohe Verzögerung. Kistler Kraftsensoren wurden in den Bremsbelag integriert, um die Bremskräfte im realen Betrieb zu messen. Aufgrund der engen Platzverhältnisse war die Erfahrung vom Kistler Vertrieb entscheidend für den erfolgreichen Einbau. Force Limited Vibration Test (FLV) Satelliten sind grossen Vibrationsbelastungen beim Start und beim Flug durch die Atmosphäre ausgesetzt. Vor dem Start wird ein Vibrationstest durchgeführt. Dank diesem Test sind Satellitenverluste selten geworden. Kistler Kraftsensoren messen die Kräfte und ermöglichen einen gesicherten Testablauf. Quelle: ESA Satellit auf Shaker Quelle: ESA Bremsbelag mit Kraftsensoren Herausforderung Messen von sehr grossen Kräften Enge Einbausituation Lösung Zwei 3-Komponenten-Kraftsensoren unter Krafteinleitung Spezielle Vorspannbolzen Vor-Ort-Kalibrierung im eingebauten Zustand mit Spezialvorrichtung Anordnung der 3-Komponenten-Kraftmesselemente auf Shaker Herausforderung Grosser Messbereich Hohe Steifigkeit Hohe Zuverlässigkeit Komplexe mechanische Integration Lösung Mehrere 3-Komponenten-Kraftmesselemente Alle Messelemente auf gleiche Höhe überschliffen Kundenspez. Grund- und Deckplatte für mechanischen Anschluss Einfach zu bedienender Ladungsverstärker (LabAmp 5165A) Wenn Sie für Ihre Applikation eine Beratung wünschen, kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Kistler Vertrieb. 112
T Fz Fx Fy Überlastsicher Beschreibung Seite 1/4 Anwendung nachzurüsten. (Dehnlänge) Messrichtung Seite 1/3 Informationsübersicht Test & Measurement auch online Auf unserer Website finden Sie neben weiterführenden Informationen zu den Kraft- und Dehnungssensoren auch das gesamte Kistler Test & Measurement Angebot. Dazu gehören verschiedene Messgrössen, Sensortechnologien und Signalaufbereitungslösungen für allgemeine Messungen in Forschung & Entwicklung oder Testlabors. Datenblätter und Betriebsanleitungen Detaillierte Angaben zu den einzelnen Produkten finden Sie in unseren Datenblättern und Betriebsanleitungen, die Sie kostenlos von unserer Website herunterladen können. Ansprechpartner Ganz gleich, ob Sie eine Beratung wünschen oder Support bei der Montage benötigen auf unserer Webseite finden Sie bei der gewünschten Messgrösse schnell und unkompliziert einen persönlichen Ansprechpartner in Ihrer Nähe. /t&m/force&strain Weitere Messgrössen: Druck, Beschleunigung & Schallemission (Acoustic Emission, AE), Drehmoment /t&m Kraft 3-Komponenten-Kraftmesselement 55x55x60 mm, 30 30 kn 9347C_000-604d-06.11 Quarz-Kraftmesselement zum Messen der drei senkrecht zueinander stehenden Komponenten einer beliebig gerichteten dynamischen oder quasistatischen Kraft. Genaue Messung unabhängig vom Kraftangriffspunkt Grosser Frequenzbereich Einfache Montage Rostfreies, dichtes Sensorgehäuse Robuster Mehrpol-Steckeranschluss Beschreibung Der 3-Komponenten-Kraftsensor ist unter Vorspannung zwischen zwei Montageflanschen eingebaut. Dadurch kann das Messelement positive und negative Kräfte in allen drei kartesischen Richtungen messen. Eine Kraft erzeugt gemäss dem piezoelektrischen Prinzip eine proportionale elektrische Ladung. Diese wird über eine Elektrode auf den entsprechenden Steckeranschluss geführt. Die einfache und vibrationsfeste Konstruktion des Messelements ist sehr steif. Daraus resultiert die hohe Eigenfrequenz, eine Voraussetzung für hochdynamische Kraftmessungen. Der 3-polige Anschlussstecker V3 neg. (Designschutz) ist mit einer Positionierhilfe versehen. Diese gewährleistet die genaue Zuordnung und Zentrierung der Steckerpins und Buchsen vor dem Zusammenfügen. Die Steckerverbindung ist gegen Verdrehen geschützt. Nach der korrekten Montage ist der Sensor ohne Nachkalibrierung sofort einsatzbereit. 3-Komponenten-Kraftsensoren aus Quarz messen einfach, direkt und sehr genau. Anwendung 3-Komponenten-Kraftmesselemente erfassen: Schnittkräfte bei der Zerspanung Aufprallkräfte bei Crashtests Rückstosskräfte von Raketenmotoren Vibrationskräfte von Bauteilen für die Raumfahrt Reibungskräfte Kräfte bei der Produktprüfung Fahrzeugkräfte auf Strasse und Prüfstand Kräfte an Windkanalwaagen Die Informationen entsprechen dem aktuellen Wissensstand. Kistler behält sich technische Änderungen vor. Die Haftung für Folgeschäden aus der Anwendung von Kistler-Produkten ist ausgeschlossen. Technische Daten Typ 9347C Bereich Fx, Fy kn 15... 15 (ohne Momentbelastung, z.b. wenn vier Messelemente in einer Plattform eingebaut werden) Bereich Fx, Fy kn 5 5 (Beispiel mit Kraftangriffspunkt an Deckplattenoberfläche) Bereich Fz kn 30 30 (Kraftangriffspunkt zentrisch) Überlast Fx, Fy, Fz % 10 Kalibrierter Bereich Fx, Fy kn 0 5 (Kraftangriffspunkt 10 mm 0 0,5 unterhalb Deckplattenoberfläche) Kalibrierter Bereich Fz kn 0 30 (Kraftangriffspunkt zentrisch) 0 3 Zulässige Momentbelastung Mx, My N m 150/150 (Mz = 0; Fz = 0) Zulässige Momentbelastung Mz N m 150/150 (Mx,y = 0, Fz = 0) Ansprechschwelle N <0,01 Empfindlichkeit Fx, Fy pc/n 7,8 2007... 2011, Kistler Gruppe, Eulachstrasse 22, 8408 Winterthur, Schweiz Tel. +41 52 224 11 11, Fax +41 52 224 14 14, info@kistler.com, Kistler ist eine eingetragene Marke der Kistler Holding AG. 9232A_000-137d-02.07 Kraft Oberflächen-Dehnungssensor hochempfindlich, 600 600 με Der Dehnungssensor eignet sich zur Messung dynamischer und quasistatischer Kräfte an festen oder bewegten Maschinenteilen. Der Sensor misst dabei die kraftproportionale Dehnung an Maschinen- oder Strukturoberflächen (indirekte Kraftmessung). Die hohe Empfindlichkeit sowie der beschleunigungskompensierte Aufbau des Sensors ermöglichen eine Prozessüberwachung an schnelllaufenden Fertigungsmaschinen (z.b. Pressen, Montageautomaten). Dank der sehr hohen Messempfindlichkeit können auch kleinste Kräfte exakt gemessen werden Aufgrund der geringen Beschleunigungsempfindlichkeit auch für Messaufgaben an bewegten Teilen geeignet Messbereich für Zug- und Druckkräfte Einfachste Montage, da Befestigung mit nur einer M6 Schraube erfolgt Schutzart IP65 (mit angeschlossenem Kabel) Masseisolierte Ausführung zur Beseitigung von durch Erdschlaufen hervorgerufenen Störungen (optional erhältlich Typ 9232AU41) Die Dehnung des Grundmaterials wirkt über die beiden Auflageflächen als Distanzänderung auf den Sensor. Sein Gehäuse dient als elastisches Übertragungsglied und wandelt die Distanzänderung in eine Kraft um. Die auf Schub beanspruchten piezoelektrischen Elemente im Sensor erzeugen eine dieser Kraft proportionale elektrische Ladung Q (pc). Die besonderen Vorteile gegenüber der bekannten Dehnmessstreifen-Technik liegen in der hohen Empfindlichkeit, der grossen Überlastsicherheit und der praktisch unbegrenzten Lebensdauer, auch unter wechselnder Last. Das Messsignal kann als Relativwert weiterverarbeitet werden. Für Absolutwertmessungen (z.b. in N oder kn) muss der Dehnungssensor mit einer entsprechenden Referenz kalibriert werden. Der Sensoraufbau ermöglicht einen Einsatz in Industrieller Umgebung. Mit angeschlossenem Kabel genügt die Messkette der Schutzklasse IP65. Das Gehäuseoberteil des Dehnungssensors ist aus rostfreiem Stahl gefertigt. Als Steckeranschluss ist ein KIAG 10-32 neg. integriert. Dies gestattet eine breite Auswahl von Anschlusskabeln einzusetzen (siehe Zubehör-Hinweise). Fz pc/n 3,7 Die Informationen entsprechen dem aktuellen Wissensstand. Kistler behält sich technische Änderungen vor. Die Haftung für Folgeschäden aus der Anwendung von Kistler-Produkten ist ausgeschlossen. Typ 9232A... Überwachung aller Arten von Maschinen in C-Form Bauweise, wie z.b. mechanische Pressen und Montageautomaten. Der Sensor eignet sich dank der einfachen Montagemöglichkeit hervorragend um bestehende Maschinen Maschinenüberwachung, z.b. Absicherung von mechanischen Pressen gegen Überlast. Qualitätssicherung an Fertigungsanlagen für Fügeprozesse, beispielsweise beim Taumelnieten, Durchsetzfügen oder Widerstands-Punktschweissen. Überwachung von Werkzeugmaschinen, z.b. rechtzeitige Erkennung von Werkzeugbruch oder Werkzeugkollision. 2007, Kistler Instrumente AG, Postfach, Eulachstr. 22, CH-8408 Winterthur Tel +41 52 224 11 11, Fax +41 52 224 14 14, info@kistler.com, Komponentenfinder Unser interaktiver Online-Komponentenfinder mit diversen Filtermöglichkeiten erleichtert Ihnen die Suche nach generischen Sensoren und Signalaufbereitungslösungen. /t&m/ componentfinder CAD-Daten Damit Sie unsere Produkte direkt in Ihre CAD-Konstruktionen integrieren können, stehen Ihnen diverse Kistler 3D CAD-Modelle kostenlos zur Verfügung. Auf unserer Website können Sie für jedes CAD-System das passende Dateiformat herunterladen. /cad-catalog Applikationslösungen Zusätzlich zu den Kraft- und Dehnungssensoren sowie Signalaufbereitungslösungen für T&M-Applikationen, bietet Kistler eine Vielzahl an massgeschneiderten Lösungen in spezifischen Anwendungen an: Zerspannkraftmessung Fahrzeugsicherheit Fahrdynamik & Betriebsfestigkeit Prozessüberwachung Industrielle Prüfsysteme Weigh-In-Motion Biomechanik Weitere Infos finden Sie auf 113
Glossar Begriffe Symbol Einheit Definition Kraft F N Kraft ist die vektorielle physikalische Grösse mit Angriffspunkt, Wirkrichtung und Betrag. Dehnung ε μm/m Dehnung ist eine Angabe für die relative Dimensionsänderung (Verlängerung bzw. Verkürzung) eines Körpers unter Belastung, beispielsweise durch eine Kraft oder durch eine Temperaturänderung (Wärmeausdehnung). Wenn die Abmessung des Körpers sich vergrössert, spricht man von einer positiven Dehnung, andernfalls von einer negativen Dehnung oder Stauchung. Coulomb Dynamisch Quasi-statisch Einheit der elektrischen Ladung. 1 Coulomb entspricht 1 Ampere-Sekunde (1 C = 1 As). Beschreibt die Fähigkeit von Kistler Sensoren, Ladungsverstärkern und elektrischer Geräte, schnelle und stark zeitveränderliche Messgrössen (z.b. Bewegungen mit hohen Frequenzen) messen zu können. Beschreibt die Fähigkeit von Kistler Sensoren, Ladungsverstärkern und elektrischer Geräte, zeitveränderliche und nahezu zeitunveränderliche Messgrössen (z.b. Langzeitmessungen oder Messungen im DC-Modus) messen zu können. Zeitkonstante τ s Die Zeitkonstante beschreibt das Verhalten eines Hochpassfilters und entspricht dem Zeitintervall, in dem das Anzeigesignal auf den Wert 1/e des Ursprungswertes gefallen ist. Bemerkung: Die Zeitkonstante erlaubt die Abschätzung des Fehlers in Abhängigkeit der Messzeit. In der Betriebsanleitung zum Ladungsverstärker sind weitere Details und Informationen über Zeitkonstanten und Empfindlichkeitsbereiche zu finden. Beispiel: Die Zeitkonstante hängt vom eingestellten Messbereich am Ladungsverstärker ab. Mögliche Werte variieren zwischen 0,01 s im empfindlichsten Bereich bis zu 100 000 s im unempfindlichsten Bereich. Für quasi-statische Messungen muss die grösste Zeitkonstante eingestellt werden. 114
Glossar Begriffe Symbol Einheit Definition Linearität einschliesslich Hysterese Lin Hys %FSO Abhängig vom Sensortyp wird die Linearität unter Berücksichtigung der aufsteigenden (blau für Belastung) und abfallenden (rot für Entlastung) Kalibrierkurve bestimmt. In diesen Fällen ist die Hysterese (b %FSO) bereits in der Linearität (± a %FSO) enthalten und bedarf keiner weiteren Berücksichtigung bei der Abschätzung der Messunsicherheit für die Applikation. Bemerkung: Die Steigung der mittleren Geraden entspricht der Empfindlichkeit des Sensors. Die Linearität wird aus dem maximalen Abstand (auf den Ordinate gemessen) zwischen dieser Geraden und einem Anzeigewert bestimmt. Frequenzbereich f r Hz Der nutzbare Frequenzbereich ist auf die Frequenzen eingeschränkt, bis die zulässige Überhöhung im Amplitudenverhältnis der Übertragungsfunktion beobachtet wird. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften haben piezoelektrische Sensoren nur eine kleine Dämpfung. Folgende Näherungswerte bezüglich Amplitudenfehler oder erreichbarer Genauigkeit in Funktion der Frequenz sind zutreffend: Abweichung 10 % > f max 0,3 f n Abweichung 5 % > f max 0,2 f n Abweichung 1 % > f max 0,1 f n Symbol: f = Frequenz der Messung f max = maximale Frequenz der Messung f n = Eigenfrequenz 115
Glossar Begriffe Symbol Einheit Definition Frequenzbereich (Fortsetzung) f r Hz Bemerkung: In Bezug auf das dynamische Verhalten sind die piezoelektrischen Sensoren im Vergleich zu Sensoren mit anderen Messprinzipien am besten geeignet. Die hohe Steifigkeit ergibt eine sehr hohe Eigenfrequenz des Sensors. Folglich sind sie ideal für Messungen mit schnellen Signaländerungen über der Zeit. Allerdings wird das dynamische Verhalten auch durch die umgebende Struktur bestimmt. Daher muss die Frequenzanalyse am gesamten Messaufbau gemacht werden, um den grössten Messfrequenzbereich für die jeweilige Anwendung zu realisieren. Zwei Möglichkeiten zur Bestimmung der Grenzfrequenz stehen zur Verfügung: Experimentelle Frequenzanalyse, z.b. im Stossrohr für Drucksensoren oder eine FEM-Rechnung. Schematische Darstellung des Amplituden- und Phasenganges eines Sensors. Axialsteifigkeit c A,x c A,y c A,z N/μm Mechanischer Widerstand eines belasteten Sensors gegen seine axiale Deformation, die aus einer wirkenden Kraft in Richtung der gedachten Axialachse wirkt. Der Steifigkeitswert wird aus dem Quotient der aufgebrachten Kraft F A und der effektiven Distanz Δh zwischen den spezifizierten Referenzpunkten berechnet. Darstellung der Bezugspunkte für die Abstandsmessung 116
Glossar Begriffe Symbol Einheit Definition Schubsteifigkeit c s,xy c s,xz c s,yz N/μm Mechanischer Widerstand eines belasteten Sensors gegen seine Schubdeformation, die aus einer wirkenden Kraft in Richtung der konstruierten Schubachse des Sensors resultiert. Die Schubkraft ist eine reine Kraftbelastung ohne Biegemoment. Der Steifigkeitswert wird aus dem Quotient der aufgebrachten Kraft Fs und der effektiven Distanz Δs zwischen den spezifizierten Referenzpunkten berechnet. Darstellung der Bezugspunkte für die Abstandsmessung Triboelektrischer Effekt Bildung von Ladung infolge von Kabelbewegung oder Reibung im Kabel. Kontinuierliche Belastung Belastung eines Kalibrierobjekts, indem die Messgrösse von einem Startwert bis zu einem Zielwert stetig erhöht wird. Die Anzeigewerte des Referenznormal und des Kalibrierobjekts werden gleichzeitig aufgezeichnet, während die Messgrösse kontinuierlich verändert wird, z.b. ein Haversinus-Profil oder ein linearer Anstieg und Abfall. Bemerkung: Die Belastung muss schnell genug erfolgen, um zeitabhängige Eigenschaften speziell für piezoelektrische Sensoren auszuschliessen (z.b. Drift und Zeitkonstante), allerdings nicht zu schnell zur Vermeidung von unbekannten dynamischen Effekten (z.b. Trägheitskräfte). Überdies ist es sehr wichtig eine Abtastrate zu wählen, die gross genug ist, einen merklichen Zeitversatz zwischen den Signalen zu vermeiden, der die Bestimmung der Kennwerte aus der Kalibrierkurve beeinflussen kann. Ein typischer Kalibrierzyklus dauert etwa 10 30 s ausgehend von einem Startwert bis zum Zielwert und anschliessende Entlastung auf den Startwert. PiezoStar und Piezotron sind eingetragene Warenzeichen der Kistler Holding AG. 117